DE1551483A1 - Waermeaustauschrohr und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Description

• Wärmeaustauschrohr und Verfahren zur I1e:rstellun:- desselben

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  Die Erfindung bezieht sich auf ein für den Wärineaustausmh zwischen gasförmigen oder flüssigen Medien zu verwenelendes Rohr finit in senkrecht zur Rohrlängsachse liegenden Ebenen sich ändernden Durchtrittsquerschnitten sow:_e auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Rohre. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Rohres soll auch ffzr Wärmetauscher gelten, bei denen eine Wärmeübertra-;i.iir, zwischen einem gasförmigen Medium einerseits und cinom flüssigen Medium andererseits herbeizuführen ist.

  :Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht

  darin, zur Verbesserung des Wärmeübergangs bei Röhren-

  VhirrriE"taus(;rierri neben der Scriaf fung einer Turbulenz und

  e hier Geschwindi(Ke_i.tserhöriun ödes strijrrienden Mediums

  eine Verr i ri(,e.rutl"; der Sich an der Rohrinnenwand bil-

  denden (@rerizschicht(liche zu erreichen sowie e=i.zi®n

  Abriß dieser S trölrruri; an den Rohrwandungen zu vermei-

  den, ohne daß nicht am Wärmeaustausch beteiligte Ober-

  flächen hinzugefügt werden ,müssen und damit ein er-

  höhter WIdero tandeanotieg stattfindet. Auch sollen.

  solche Rohre leicht während des Detriebes oder in periodischen Zwischenräumen zu reinigen sein. Es ist ein aus Rohren besehender Gaskühler mit zwei ineinander liegenden, entgegengesetzt gewundenen Schraubenmantelfläschen bekannt, bei dem in jedem der beiden Gasströme lediglich Wirbelbewegungen hervorgerufen werden, ui@i Verunreinigungen nach außen zu treiben und zur Ablagerung an den Kühlflächen zu zwingen. Die schraubenförmig verlaufenden. Innenflächen haben aber stets gleich lange Erstreckungen und mit ihren Flächen einen solchen Winkel zur Rohrlängsachse, daß mit Sicherheit ein Abreißen der Strömung erfolgt und sich somit schlechte Wärmeübergangs- und Widerstandswerte ergeben. Auch gibt es einen Vorschlag, nach welchem in den Rohrquerschnitt in Längsrichtung gedrillte Blechstreifen eingebracht werden, wodurch zwar der Innenströmung ein Drall und damit eine erhöhte Turbulenz bei einer Verkleinerung der Grenzschicht aufgezwungen wird. Wenn auch mit dieser Bauweise eine geringe Verbesserung des Wärmeüberganges erzielt wird, so überwiegen doch die Nachteile, die darin bestehen, daß das Anbringen und das für die Rohrreinigung notwendige Entfernen der Einsätze baulich aufwendig und kostspielig ist, sich leicht Rohrverstopfungen beispielsweise durch Verunreinigungen des Kühlwassers einstellen können undtschließlich die Einsätze wärmetechnisch inaktiv sind, da die durch sie hervorgerufene Turbulenz zwecks Wärmetibertragung nicht an ihrer Oberfläche sondern erst mittelbar und in abgeeohwächter Norm an der Rohrinnenwandung wirksam werden kann. Ebenso sind Rohre mit in der Innenwand befindlichen Längsriffelwzgen bekannt, mit denen eine günstigere Temperaturausnützung als mit glattwandigen Hohren erzielt werden kann. Mit solchen Rohren erzielt man zwar einen erhöhten Wärmeübergang, muß aber gleichzeitig einen wesentlichen, durchaus unerwünschten Widerstandsanstieg in Kauf nehmen. Um die gestellte Aufgabe zu erfüllen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, den Rohrquerschnitt in Rohrlängserstreckung in vielfacher Wiederholung derart stetig zu verengen unci stetig zu erweitern, daß,in Strömungsrichtung gesehen, die Innenwandung auf kurzer axialer Länge dizsenartig bis auf den engsten Durchtrittsquerschnitt eingezogen ist, um sich unmittelbar anschließend unter einem den Abriß der Strömung vermeidenden Winkel und auf einer gegenüber der Düsenlänge größeren Erstreckung diffusorartig wieder zu erweitern. Als strömungstechilisch gänstigsteii liiikel der Diffusorflächen zur Rohrlängsachse kommen solche zwischen 5 0 und 100 in Betracht, durch die das*Abreißen der Strömung mit Sicherheit vermieden wird. Diese diffusorartigen Erweiterungen sind erfindungsgemäß bis auf den ursprünglichen Rohrquerschnitt auszudehnen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung verlaufen die stetigen Querschnittsveränderung-en in einer sich in. Rohrlängsric,litiui"" erstreckenden Schraubenlinie unter einem Steigungswinkel, dessen Steigungshöhe etwa der Summe einer Düsen- und Diffusorerstreckung entspricht. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, die sich wiederholenden Verengungen und Erweiterungen des Rohrinnenquerschnittes aus Diffusoren und diesen gleichgestalteten und sich spiegelbildlich anschließenden Düsen zu bilden. Es ist auf diese Weise möglich, mit derartig gestalteten Rohren auch bei in wechselnden Richtungen erfolgenden Durchströmungen eines Mediums einen sehr guten Wärmeaustausch zu erzielen, da ein Abriß jeder der Strömungen mit Sicherheit vermieden-wird. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zurHerstellung von Wärmeaustauschrohren der vorbeschriebenen Ausführungen wird vorgeschlagen, die Rohrinnenwand über einen dieser Wandform entsprechend profilierten Dorn mit Hilfe an sich bekannter Werkzeuge durch Walzen oder Drücken zu verformen oder durch Hämmern zu bilden. Zur Herstellung von mit schraubenförmig, ebenfalls aus Diffusoren und Düsen bestehender Rohr-Innenprofilierung versehenen glattwandigen Wärmeaustaüschrohren gelangt beispielsweise ein an sich bekanntes Kegel- oder Scheibenwalzwerk unter Beihilfe eines der Diffusor- und der Düsenform entsprechend profilierten Dornes zur Einwirkung. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, die Verformung der Innenwandung unter Beibehaltung der glattwandigen ursprünglichen Rohraußenwand vorzunehmen. Nach der Erfindung ist es ebenso zweckmäßig, zugleich mit der Versformung der Rohrinnenwand eine. dieser Verformung entapreohende Formung der Rohraußenwand durchzufUhren. Auch kann erfindungsgemäß zugleich mit der Bildung der schraubenförmigen Düsen und Diffusoren im Rohrinneren in die Rohraußenwandfläche eine umlaufende, in jeweils senkrecht zur Rohrlängsachse und in planen Mitelebenen liegende Berippung eingearbeitet oder nachträglich-aufgebracht werden. Ebenso ist es nach der Erfindung zweckmäßig, die Außenberippung als eine schraubenförmig und stetig verlaufende Verformung der Rohraußenwand auszuführen.' Schließlich ist die erfindungsgemäße Anwendung der vorstehend beschriebenen Wärmeaustauschrohre als Rohrbündel für Oberflächen-Wärmeaustauscher oder Oberfl.ächenkondensato.ren von besonderer Bedeutung. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In der Zeichnung sind in schematischer Darstellung einige Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße RohrfOrmveranschaulicht, und zwar zeigte fig. 1 einen Längsschnitt durch ein einfach gestaltetes - Rohr, Pig. 2 einen Rohrlängsschnitt mit schraubenförmiger Innenprofilierung und glattwandiger Außenfläche - und Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Rohr, deasenAußenprufilierung der aohraubenförmigen Innenprofilierung angepaßt wurde und Fig. 4 eine weitere Abwandlung der Rohr-Innenprofilierung in symmetrischem Aufbau, Fig. 5 zeigt die Anwendung einor Walz- oder Drückvorrichtung zur Herstellung solcher Rohre, während Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Rohr mit zusätzlicher Außenberippung darstellt. In Figur 1 ist mit 1 die Rohrwand eines nach der Erfindung fertiggestellten Wärmeaustauschrohres benannt. Die Strömungsrichtung des durchfließenden Mediums ist mit dem Teil 2 wiedergegeben. Die düsenartige Verengung des Durchtrittsquerschnittes befindet sich auf dem Rohrabschnitt 3, während sich die diffusorartige Erweiterung des Durchtrittaquerschnittes auf dem Rohrabschnitt 4 vollzieht, wobei die umlaufende Innenwand 5 dieses Abschnittes 4 in einem zwischen 50 und 100 liegenden Winkel a zur Rohrlängsachse x-x gelegt ist, damit ein Abriß der Strömung und somit ein hoher Widerstand vermieden wird. Mit 6 ist die Innenwandung der düaenartigen Verengung benannt. Das Wärmeaustauachrohr 7 gemäß Figur 2 besitzt eine glatte Außenfläche B. Die Innenwandung dieses Rohres ist wieder in vielfacher Wiederholung erweitert und verengt dargestellt, und zwar bei diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich in form einer schraubenförmigen-Erstreokung, wobei die düsenartigen Verengungen mittels dar Innenwand 9 im mittleren Bereich 1o und die diffusorartigen Erweiterungen mittels der Innenwand 11 bei 12 liegen. Die schraubenförmige Brotreckung dieser Yorformung der Innenwand besitzt die Steigungshöhe h, die sich aus der Summe der Erstreckung 10 der düsenartigen Verengung und der Länge der düsenartigen Erweiterung 12 zusammensetzt.
• Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist gegenüber der Figur 2 die Innenprofilierung mit gleicher Profilierung gewählt, so daß die gleichen Bezugszeichen gelten. Die Außenwand 13 ist bei dieser Rohrausführung lediglich in ihrem Profil dem schraubenförmigen Innenprofil angepaßt, was ebenfalls ein Teil der Erfindung ist. Figur 4 zeigt ein Wärmeaustauschrohr 14, bei dem die Querschnittsveränderungen der Rohrinnenwand, in Rohr-Längsrichtung betrachtet, in spiegelbildlicher Anordnung durch gleichmäßig lange und sich im gleichen Winkel a erstreckende Verengungen und Erweiterungen gebildet sind.
• Es ergeben sich sow-@ t Diffusoren 15 in Strömungsrichtung 289 von x nach y und Diffusoren 16 in Strömungsrichtung 2 von y nasch x, so daß also in beiden Richtungen ein Abriß der Strömung mit Sicherheit vermieden und ein hoher Wärmeübergang pro Flächeneinheit bei bestmöglicher Nutzung des zur Erzielung desselben erforderlichen Energieaufwandes erreicht wird..Die in den Rohrqüerschnitt eingeformten als,Düsen wirkenden Verengungen erzeugen in der Strömung eine dauernd neu erfolgende Abwandlung der bei einem innenwandig glatten Rohr bekannten parabohschen Gfeephwindigkeitsverteiiüng in der Weise, daß die Geschwindigkeiten zur Rohrwandung hin gröber werden Außerdem Wird die Strömung durch die radial auftretenden Ge= eahwindigkaitskomponentern, welche sich zudem in jedem, Querächnitt ändern, zu erhöhter !Turbulenz angeregt, was eine weitere Verkleinerung der laminaren Gr enzschich L zur Folge hat.
• Die aufeinanderfolgende Düsen-Diffusor-Strömung läßt ferner außerordentlich hohe Durchflußgewindigkeiten zu, während bei allen anderen bekannten Formen der Querschnittsänderung bei Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit mit einem Abreißen der Strömung und damit einer erheblichen Verschlechterung des Wärmeüberganges gerechnet werden muß. Bei in axialer Richtung spiralig fortschreitenden Verengungen bzw. Erweiterungen des Rohrquerschnittes wird der durch Düsen und Diffusoren erzeugten Strömung noch eine 'fangentialkomponente aufgezwungen, die einen Strömungsdrall erzeugt. Die dabei entstehenden Zentrifugalkräfte wirken ebenfalls verkleinernd auf die Grenzsuhichtdicke. Figur 5 veranschaulicht an sich bekannte Werkezuge, beispielsweise Walzen 2o, 21, die zur Herstellung einer Innenprofilierung gemäß Fig. 2 und 3 nach einem weiteren Erfindungsvorschlag mit einem in das Rohr 22 eingeführten Dorn zusammenarbeiten, der ein den Verengungen und Erweiterungen des Durchtrittsquerschnittea entsprechendes Profil aufweist. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, diese Innenprofilierung durch Hämmern oder durch Drücken zu erzeugen. Nach Figur 6 ist ferner erfindungegemäß ein Rohr 3o der vorbewchriebenen Bauart noch mit einer Außenberippung versehen, deren Erhebungen nach der Erfindung aufgelötet oder auch ängewalzt sein können und darüber hinaus in jeweils senkrecht zur Rohrlängsachse x=x in planen Mittelebenen. -verlaufen oder als schraubenförmig verlaufende Verforniiuig der Außenwand mit einer gegenüber der Rohr-Innenwand geringeren Steigung gebildet sein können: In Figur 6 sind derartige Rippen mit 31 benannt.

  Erfindungsgemäß ist ferner die Anordnung der vorbeechriebe-

  nen Rohre als Ruhrbündel für Oberflächen'-Wärme-Lauscher

  von Vorteil; wodurch derartige Apparaturen räumsparender

  und leichter gebaut werden können.- Dies ist besonders

  da von NÜtzlichkeitwo die Wanduhgen mittl@.bis hohen

  Bett.-iebsdrücken ausgesetzt sind; *eil die

  außer .vom Druck auch von der Apparategröße abhängen, wo-

  durch sich erhebliche Kosten- und Gewiähtseräparnisse er-=

  geben und auch äie Tragkönstrukticnen verkleinert auege=

  f iihrt W,`e- r-den-

  X ö hr e er n- d-;e--n7! Ä U' 9£UhiÜhgöti häch Fi- gur 1 bis 6 da- rge-

  8täilt' e-n'i Ü'e-ddiir#ibe- n7'#eill Aet ha-'böh. den Vorzug daß sie

  s=ch hach beltähnten Verfahreh o Tide @chw'ierigkeiten reinigen

  lassexi und fcrs-cpfurigen aucz diiren grct@e eststoffteil_

  chendie lnäridhc @l,;irme träger mit sich führen; mit Sicher-

  @retr äü.sgeäc:I@aite-t vi@rcten@ so däl3 hei ote@s @leicnrttai@ger

  Wärmeieie türig(1ie .etriesesc;nerei t Mitolcheri iloiirert

  ausgeri-te ter l@i@Eei izntatti ästen 't ähäf tlicWiett

  ge@iie@erv ist:

Claims (1)

1. P a t e n t a n a r ü c 11 e 9. Für den Wärmeaustausch zwischen gasförmigen oder flüssigen Medien zu verwendendes Rohr mit in äc11ssenkrechten Ebenen zur Rohrlängsachse sich ändernden Durchtritts4uerschnitten, dadurch gekennzeichnet daß der Rohrquerschnitt in Rohrlängseratreckung in vielfacher Wiederholung derart stetig verengt und stetig erweitert ist, daß, in Strömungsrichtung gesehen, die Irlnenwandun, auf kurzer aXialer Länge düsenärtig bis auf den kleinsten Durchtrittsquerscrlnitt eingezogen 'ist, um sich unmittelbar änschlieeend unter eitlem dein Abriß der Strömung vertneidÖnden Winkel und änf e.ner geöanüber der Düsenlänge größeren ErströcKung diffüsör- artig wieder zu erweitern, 2: Wö;rmeaustäusehrohr rlädnriapriioh 'f , dadurch gekeni= zeichnet, daß sieh jeddt in Strömunisriclrtült; gese1erle Erweiterung des Durähtritteqüereöilisittea unter einen zwi.achan; 50 bis 100 iiegerit en Winkei (a) der Dffüsör= wändfläöhe zur l#ßnrls,nbiiänse vollzieht: 3. Wär.rri:eaustauschrohr nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die diffusorartigen Erweiterungen bis zu dem ursprünglichen Rohrquerschnitt ausdehnen. ¢. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stetigen Querschni-ttsveränderungen in einer sich in Rohrlängsrichtung erstreckenden Schraubenlinie mit einem Steigungswinkel verlaufen, dessen Steigungshöhe (h) etwa der Summe einer Düsen-und Diffusörerstreckung entspricht. 5. Wärmetausehrohr nach Anspruch 1 bis ¢, dadurch gekennzeichnet, daß die sich wiederholenden Erweiterungen una Verengungen des Hohrdurchtrittsquerschnittes aus Diffusoren und sich an diese spiegelbildlich anschließenden und gleichgestalteten Düsen. gebildet sind. 6. Verfahren zur Herstellung von Wärmeaustauschrohren nach den AnshrOchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohrinnenwand über einen dieser Wandform entsprechend profilierten Dorn mit Hilfe an sich bekannter Werkzeuge durch Walzen oder Drücken verformt oder durch Hämmern gebildet wird. 7.-Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohrinnenwandung eine schraubenförmige verlaufende Profilierung mittels eines Profildornes und an eich bekannter Walz- und Druckwerkzeuge oder durch Hämmern gegeben wird. 3. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zugleich mit der Formveränderung der Hohrinnenwand eine der Rohr-Innenprofilierung entsprechende Verformung der Außenwand erfolgt. g. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung der Innelnaandung unter Beibehaltung der glattwandigen ursprünglichen Rohraußenwand erfolgt. 1o. Verfahren nach einem der Ansprüc=he 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zugleich mit der Bildung der schraubenförmigen Düsen und Diffusorca im Rohrinneren in die Rohraußenwandfläche eine umlaufende, in jeweils senkrecht zur Rohrlängsachse und in planen kittelebenen liegende Berippung eingearbeitet oder aufgebracht wird. 11. Verfahren nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, da1die Außenberippung als schraubenförmig und stetig verlaufende Verformung der Rohr-Außenwand ausgeführt 12. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch dessen vielzahlige Anwendung als Rohrbündel für Oberflächen-Wärmetauscher oder Oberflächen-Kondensatoren.