DE1501519B2

DE1501519B2 - Kreuzgegenstromer

Info

Publication number: DE1501519B2
Application number: DE19651501519
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Ing 8000 München Becker
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1965-04-30
Filing date: 1965-04-30
Publication date: 1971-02-25
Also published as: US3403727A; DE1501519A1; JPS5114741B1; GB1136292A

Description

Die Erfindung betrifft einen aus lagenweise über zwischengelegte Abstandshalter schraubenförmig gewickelten Rohren und einem diese umgebenden Außenmantel aufgebauten Kreuzgegenströmer, bei welchem mit wachsendem Durchmesser die Zahl der parallel gewickelten Rohre derart vermehrt und die Zahl der mit den parallel gewickelten Rohren ausgeführten Windungen entsprechend derart vermindert ist, daß die Rohrlängen und die Gesamtwicklungshöhe im wesentlichen konstant bleiben.

Ein derartiger Kreuzgegenströmer ist durch die USA.-Patentschrift 2 508 247 bekanntgeworden. Im Zusammenhang mit der Beschreibung der Ausführungsbeispiele wird dort festgestellt, daß die Rohre, um die Gleichmäßigkeit des Wärmeübergangs und der Gasverteilung zu erleichtern und um eine größere Festigkeit der Wicklung zu erreichen, von Lage zu Lage abwechselnd rechts- und linksgängig gewickelt werden sollen (Sp. 3, Z. 3 bis 6).

Bei den bekannten Kreuzgegenströmern müssen die zwischen die einzelnen Lagen eingelegten Abstandshalter so stark ausgeführt sein, daß die Wicklung an ihnen einen Halt hat und daß sie sich beim Wickeln einer Rohrlage auch an den Stellen, an denen sie nicht auf der Oberfläche der Rohre der vorhergehenden Lage aufliegen, nicht verformen. Ein bestimmter, durch die hierfür notwendige Stärke der Abstandshalter bedingter Engpaßabstand zwischen den Lagen kann also nicht unterschritten werden. Damit ist aber auch der Außenquerschnitt festgelegt. Dies wiederum hat zur Folge, daß die Geschwindigkeit des strömenden Mediums im Außenraum bei gegebener Druckdifferenz oft nicht im gewünschten Maß erhöht, der Wärmeaustausch also nur unwesentlich durch Vergrößerung der Turbulenz verbessert werden kann.

Ferner ist auch schon ein aus schraubenförmig gewickelten Rohren und einem diese umgebenden Außenmantel aufgebauter Wärmeaustauscher bekannt (französische Patentschrift 1 267 133), bei dem die Rohre in zwei Wicklungsabschnitte (11, 22) unterteilt sind, wobei allerdings diese Wicklungsabschnitte Dampfüberhitzer verschiedener Kreisläufe darstellen und wobei über die Funktion des aus der Zeichnung ersichtlichen, zwischen diesen Abschnitten vorhandenen Mantels in der Beschreibung nichts ausgesagt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Wärmeaustauschern der eingangs genannten bekannten Art eine Möglichkeit zu schaffen, den Engpaßabstand der Rohre stärker als bisher zu verringern und hierdurch die beim Wickeln der Rohre verursachten Schwierigkeiten zu überwinden.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von der eingangs bezeichneten Art von Kreuzgegenströmern, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kreuzgegenströmer aus mehreren, mindestens zwei Lagen gleichsinnig auf Lücke gewickelter Rohre umfassenden Wicklungsabschnitten besteht, zwischen die jeweils ein Abstützmantel eingelegt ist, wobei innerhalb eines Wicklungsabschnitts die Zahl der parallel gewickelten Rohre je Lage ebenso wie die Zahl der mit den parallel gewickelten Rohren ausgeführten Windungen konstant bleibt und ein Wicklungsabschnitt nur so viele Lagen umfaßt, daß die auftretenden Rohrlängenunterschiede vernachlässigbar bleiben und wobei die Abstandshalter einen Engpaßabstand zwischen benachbarten Rohren bestimmen, der 2 mm nicht übersteigt. Vorzugsweise ist der Engpaßabstand nicht kleiner als 0,2 mm.

Der beim Gegenstand der Erfindung vorgesehene Engpaßabstand ist derart gering, daß ein Rohr in den Zwickel zwischen den beiden nächstbenachbarten Rohren der benachbarten Rohrlage zu liegen kommt, was zur Folge hat, daß alle Rohrlagen gleichsinnig und mit gleicher Längsteilung gewickelt sein müssen, damit der gewünschte Engpaßabstand überall konstant erhalten bleibt. Bei den eingangs genannten bekannten Kreuzgegenströmern hat die Aufrechterhaltung gleicher Rohrlängen in aufeinanderfolgenden Rohrlagen verschiedenen Durchmessers zur Folge, daß die Längsteilung oder die Ganghöhen von Rohrlage zu Rohrlage' verschieden sind. Dies wird nun unter Inkaufnahme einer vernachlässigbar kleinen Zunahme der Rohrlängen dadurch umgangen, daß das Rohrbündel aus mehreren, mindestens zwei Lagen gleichsinnig auf Lücke gewickelter Rohre umfassenden Wicklungsabschnitten besteht, zwischen die ein Abstützmantel eingelegt ist, wobei innerhalb eines Wicklungsabschnitts die Ganghöhe und die Längsteilungen dadurch konstant gehalten werden, daß die Zahl der parallel gewickelten Rohre je Lage ebenso wie die Zahl der mit den parallel gewickelten Rohren ausgeführten Windungen konstant bleibt.

Bei dieser Bauweise kann bei der Herstellung des Rohrbündels nach dem Auflegen von Abstandshaltern ;iyf die vorhergehende Rohrlage die nächste Rohrlage einfach auf diese Abstandshalter gewickelt werden. Wenn hierbei jedoch auf die letzte Rohrlage eines Wicklungsabschnitts die erste Rohrlage des nächsten Wicklungsabschnitts folgt, ist dies nicht möglich, weil diese beiden Rohrlagen verschiedene Ganghöhen und/oder Längsteilungen aufweisen und dementsprechend die Abstandshalter mindestens in der zwischen den übrigen Rohrlagen benutzten Gestaltung als Abstützung für das Wickeln der nächsten Rohrlage nicht in Betracht kommen. Daher ist an dieser Stelle ein Abstützmantel vorgesehen, der für die erste Rohrlage des neuen Wicklungsabschnitts eine glatte Abstützfläche schafft, infolge seiner kleinen Wandstärke auch an dieser Stelle einen kleinen Rohrabstand erlaubt und auf Grund seiner Wölbung trotz der kleinen Wandstärke das Rohrbündel in erheblichem Maß verfestigt.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt. Danach ist die Zahl der Lagen je Wicklungsabschnitt so bemessen, daß die Rohrlänge der äußersten Lage eines jeden Wicklungsabschnitts maximal um 15% ■größer ist als die Rohrlänge der innersten Lage dieses Abschnitts. Zweckmäßigerweise wird bereits dann ein neuer Wicklungsabschnitt begonnen, wenn die Rohrlänge der äußersten Lage um 10% größer ist als die Rohrlänge der innersten Lage dieses Wicklungsabschnitts.

Die Längsteilung (h) der Rohre ist vorzugsweise so gewählt, daß sie im Bereich h_min = </+_«_ (Ausführung gemäß Fig. 1) bis h_max = (d + a) |/3 (Ausführung gemäß F i g. 2) liegt.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens bestehen die Abstützmäntel, wie an sich für Leitmäntel bekannt, aus einem einzelnen Band, oder sie sind aus' mehreren parallelen Bändern zusammengesetzt, die im gleichen oder entgegengesetzten Sinn wie die Rohre um diese gewickelt sind. Es ist dabei zweckmäßig, zwischen den einzelnen Bändern einen Ab-

stand zu belassen. Dadurch wird eine gleichmäßige Gasverteilung im Außenraum auf sämtliche Wicklungsabschnitte gewährleistet.

Bei den bekannten Kreuzgegenströmern wird die Forderung nach annähernd gleicher Rohrlänge dadurch erfüllt, daß in etwa proportional mit dem von Lage zu Lage zunehmenden Durchmesser die Zahl der Rohre je Windung erhöht wird. Dementsprechend nimmt die Zahl der Windungen je Lage bei gleicher Neigung von innen nach außen ab, die Ganghöhe wächst. Der Zusammenhang zwischen diesen Größen ist durch folgende Beziehungen bestimmt:

H = z-w-h,

wobei

H = axiale Wicklungshöhe des Rohrbündels,
ζ = Zahl der parallel gewickelten Rohre einer

Lage,
vv = Zahl der mit den parallelen Rohren innerhalb

einer Lage ausgeführten Windungen,
h = Längsteilung.

Bei kleiner Neigung der Windungen gilt ferner:

L w w- Im (2)

wobei

L — Länge des eine Lage durchlaufenden Rohres, r = Radius einer Windung.

Die Neigung (N) einer Windung ist festgelegt durch H und L:

H, die axiale Wicklungshöhe des Rohrbündels, soll konstant bleiben.

L soll, wie bereits erwähnt, über sämtliche Lagen des Gegenströmers nach Möglichkeit konstant gehalten werden. Bei Betrachtung von Gleichung (2) zeigt sich, daß dies trotz von Lage zu Lage wachsendem r dann möglich ist, wenn w vermindert wird. Wegen Gleichung (1) darf dies aber nur in dem Maß geschehen, daß das Produkt ζ · w ebenfalls konstant bleibt. Daraus resultiert zwangläufig eine entsprechende Vergrößerung von z.

Das Prinzip, nach dem der Kreuzgegenströmer gemäß der Erfindung aufgebaut ist, sei ebenso wie die weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens anschließend an Hand von zwei schematischen Darstellungen beispielsweise erläutert.

F i g. 1 und 2 stellen je einen Längsschnitt durch den ersten und zweiten Wicklungsabschnitt eines Gegenströmers dar, wobei der Übersichtlichkeit halber nur ein Bruchteil der Höhe und Breite gezeichnet ist. Außerdem ist der Schnitt durch die Gegenströmerachse so geführt, daß die erste Lage des zweiten Wicklungsabschnitts auf die Lücken der fetzten Lage des ersten Wicklungsabschnitts zu liegen kommt. Dies ist jedoch, da Windungszahl und Windungsneigung von Abschnitt zu Abschnitt verschieden sind, nur an der gewählten Schnittebene der Fall.

Die Gegenströmerwicklung sei ausgeführt aus 705 Rohren mit dem Durchmesser d = 15 mm. In F i g. 1 beträgt der Abstand zwischen den Rohren einander unmittelbar benachbarter Lagen und der senkrechte Abstand zwischen den Rohren einer Lage « = 2 mm, der waagerechte Abstand zwischen den Rohrmitten einer Laue und denen der übernächsten Lage beträgt (d + a) ]ß. Jeder der 6 Wicklungsabschnitte, von denen die beiden innersten ausschnittweise dargestellt sind, besteht aus fünf Rohrlagen (Z _L = 5). Die Zahl ζ der in jeder Lage parallel und gleichzeitig zu wickelnden Rohre beträgt im ersten Wicklungsabschnitt 21 (= Z₁), im zweiten Wicklungsabschnitt 22 (= Z₂), im dritten Wicklungsabschnitt 23 (= Z₃), im vierten Wicklungsabschnitt 24 (= Z₄-), im fünften Wicklungsabschnitt 25 ( = z₅) und im sechsten Wicklungsabschnitt 26 (= z₆). Die fünf Lagen eines jeden Wicklungsabschnittes sind auf Lücke gewickelt. Nach jeweils fünf Lagen wird ein Abstützmantel M eingelegt und ein neuer Wicklungsabschnitt mit einer um 1 vermehrten Rohrzahl ζ begönnen. Da innerhalb eines Wicklungsabschnitts die Rohrlänge von der innersten zur äußersten Lage etwas zunimmt, wird die Windungsneigung von der innersten zur äußersten Lage eines Wicklungsabschnitts hin etwas flacher. Die Neigung der innersten Lagen der einzelnen Wicklungsabschnitte nimmt dabei von innen nach außen ab, die Neigung der äußersten Lagen der einzelnen Wicklungsabschnitte nimmt dagegen von innen nach außen zu, so daß die mittlere Windungsneigung — entsprechend der mittleren Rohrlänge — über sämtliche Wicklungsabschnitte des Gegenströmers konstant bleibt.

Das Verhältnis der Differenz aus der Rohrlänge der äußersten Lage eines Wicklungsabschnitts, L_max, und der Rohrlänge der innersten Lage eines Wicklungsabschnitts, L_mI„, zur mittleren Rohrlänge L_n, läßt sich etwa auf folgende Weise berechnen:

Der mittlere Durchmesser des ersten Wicklungsabschnitts, D_ml, verhält sich zum mittleren Durchmesser des zweiten Wicklungsabschnitts, D_m2, ebenso wie die Windungszahl des zweiten Abschnitts w₂ zur Windungszahl des ersten Abschnitts W₁ und wegen der Bedingung ζ ■ w = const (vgl. Gleichung 1) auch ebenso wie die Rohrzahl im ersten Wicklungsabschnitt, Z₁, zur Rohrzahl im zweiten Wicklungsabschnitt, Z₂:

D_m2 =

Ferner unterscheidet sich D_m2 von D_ml um den mit der Zahl der Lagen Z_L multiplizierten waagerechten Abstand zwischen den Mittelpunkten der Rohre einer und der übernächsten Lage (d + a) j/T:

D_m2 = D_ml +

Aus (4) und (5) folgt

^Dml = -^- Z₁Ad

^zi — ^zi

Ferner gilt für die Differenz zwischen D,_mix, dem Windungsdurchmesser der äußersten Lage eines Wicklungsabschnitts, und D_mi„, dem Windungsdurchmesser der innersten Lage eines Wicklungsabschnitts

D_max-D_min = (Z _L-\) (el+ Ci)][T. (7)

Da Z₂ — Z₁ im allgemeinen der Wert 1 besitzt, folgt aus (6) und (7):

D_muxl - D_mM (Z₁, -

Z₁. Z₁

Da D und L wegen Gleichung 2 einander proportional sind, gilt ebenso:

(9)

ml

Danach muß, wenn z. B. die in der folgenden Tabelle aufgeführten Werte von Z₁ gewählt werden und wenn, wie gefordert, der Unterschied zwischen den Rohrlängen innerhalb eines Wicklungsabschnitts höchstens etwa 10% betragen soll, Z_L die angegebenen Werte haben:

Z_L = 3
Z₁ = 6 ( I'
Z₁ = 7 (l>

0,111)
0,095)

Z₁ = 4

Z₁' = 7 ( M = 0,107)
Z₁ = 8 ( I' = 9,094)

sprechende Strecken steiler zu führen, wenn ζ abgerundet wurde, bzw. flacher zu führen, wenn ζ aufgerundet wurde.

Die zu h_min gehörige Formel für C ist in Gleichung 9 wiedergegeben. Die zu h,„_ax gehörige Formel für Ö ergibt sich aus einer der Ableitung für Gleichung 9 entsprechenden Ableitung zu

Z_L-\

Z₁ +Dz₁

(9 a)

Z_L = 6

Z₁ = 8( P = 0,104)
Z₁ =9(0= 0,094)

Der niedrigere Wert von Z₁ ergibt jeweils eine Längendifferenz von etwas über 10%, (Q > 0,1), der höhere Wert eine solche von etwas unter 10% ({* < 0.1).

Wie aus Gleichung 9 ersichtlich, fällt Ö bei konstantem Z_L mit wachsendem ζ und steigt bei konstantem ζ mit wachsendem Z_L. Wenn man von den Werten \i < 0,1, Z₁ =7 und Z_L = 3 für den ersten Wicklungsabschnitt ausgeht, so gilt, da z₂ — Z₁ meist = 1 ist, für den zweiten Wicklungsabschnitt z-, = 8. Mit ζ = 8 ist aber die Bedingung i' < 0,1 auch noch erfüllt, wenn Z₁ =4 ist; das gleiche gilt für den dritten Wicklungsabschnitt mit ζ = 9 und Z, = 6. Es ist also nicht nötig, Z₁ über sämtliche Wicklungsabschnitte genau konstant zu halten. Es ist vielmehr vorteilhaft, Z_L wie vorstehend im Prinzip erläutert, mit wachsendem Durchmesser zu vergrößern, wobei allerdings, da auch die Forderung nach konstanter Rohrlänge zu berücksichtigen ist, Z_L meist erst nach mehreren Wicklungsabschnitten, dann aber gegebenenfalls um mehr als 1, erhöht werden wird.

Da die Rohrlänge, wie bereits dargelegt, im wesentlichen konstant bleiben muß, nimmt vv mit wachsendem r um einen definierten Betrag ab (Gleichung 2). Im Interesse eines guten Wärmeaustausches ist es ferner nötig, daß die Höhe H über sämtliche Lagen konstant ist. Aus Gleichung 1 folgt also, daß einem bestimmten Wert für w ein bestimmter Wert für ζ zuzuordnen ist. Wenn die Veränderung von w jedoch eine Vergrößerung von ζ um weniger als 1 zur Folge hat, wenn also z₂ — Z₁ < 1 ist und wenn, da ζ ganzzahlig sein muß, für z₂ nochmals der gleiche Wert gewählt wird wie für Z₁, wenn also Z₂ einen kleineren als den theoretischen Wert besitzt, so ist die Bedingung H = const, nicht mehr erfüllt. Diese Diskrepanz wird zweckmäßigerweise ausgeglichen durch Vergrößerung der Längsteilung /1, im Bereich h_min = d + a (F i g. 1) bis /?,„,„ = (d + a) ][J (F i g. 2). Im gleichen Maße kann /; auch verkleinert werden, wenn ζ nicht wie oben abgerundet, sondern aufgerundet wird. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit, die Höhe des Gegenströmers über sämtliche Lagen konstant zu halten, besteht darin, die Rohre im mittleren Teil des Gegenströmers über eine oder mehrere entBei einem nach dem Vorschlag von F i g. 2 ge-_ wickelten Gegenströmer, bei dem h = (<i + a)|/3 und die Querteilung zwischen den Rohren einer Lage und denen der nächsten Lage gleich d + α ist, kann man bei gleichem Durchmesser mehr Lagen je Abschnitt unterbringen als beim Gegenströmer nach Fig. 1, dafür ist der freie Querschnitt im Außenraum größer.

Claims

Patentansprüche:

1. Aus lagen weise über zwischengelegte Abstandshalter schraubenförmig gewickelten Rohren und einem diese umgebenden Außenmantel aufgebauter Kreuzgegenströmer, bei welchem mit wachsendem Durchmesser die Zahl der parallel gewickelten Rohre derart vermehrt und die Zahl der mit den parallel gewickelten Rohren ausgeführten Windungen entsprechend derart vermindert ist, daß die Rohrlängen und die Gesamtwicklungshöhe im wesentlichen konstant bleiben, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mehreren, mindestens zwei Lagen gleichsinnig auf Lücke gewickelter Rohre umfassenden Wicklungsabschnitten besteht, zwischen die jeweils ein Abstützmantel (M) eingelegt ist, wobei innerhalb eines Wicklungsabschnitts die Zahl der parallel gewickelten Rohre je Lage, (z), ebenso wie die Zahl der mit den parallel gewickelten Rohren ausgeführten Windungen, (w), konstant bleibt und ein Wicklungsabschnitt nur so viele Lagen umfaßt, daß die auftretenden Rohrlängenunterschiede vernachlässigbar bleiben, und wobei die Abstandshalter einen Engpaßabstand (a) zwischen benachbarten Rohren bestimmen, der 2 mm nicht übersteigt.

2. Kreuzgegenströmer nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der Lagen je Wicklungsabschnitt so bemessen ist, daß die Rohrlänge der äußersten Lage eines jeden Wicklungsabschnitts maximal um 15% größer ist als die Rohrlänge der innersten Lage dieses Abschnitts.

3. Kreuzgegenströmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsteilung (/;) der Rohre im Bereich h_mi„ = d +^(Ausführung gemäßFig. 1) bis /;,„„_,. = (d + a)\/3 (Ausführung gemäß F i g. 2) gewählt ist.

4. Kreuzgegenströmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützmäntel (M), wie an sich für Leitmänlel bekannt, aus einem einzelnen Band bestehen oder aus mehreren parallelen Bändern zusammengesetzt sind, die im gleichen oder entgegengesetzten Sinn wie die Rohre um diese »ewickelt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen