DE1940963A1

DE1940963A1 - Waermetauscher aus quer angestroemten Rippenrohren

Info

Publication number: DE1940963A1
Application number: DE19691940963
Authority: DE
Inventors: Richard Prof Dr-Ing Stroehlen
Original assignee: ZWEIGNIEDERLASSUNG NUERNBERG; MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: ZWEIGNIEDERLASSUNG NUERNBERG; MAN AG
Priority date: 1969-08-12
Filing date: 1969-08-12
Publication date: 1971-02-25
Also published as: ZA705054B; FR2058216A1

Description

^bt:/kr _ L7. Aug. 1969

Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg 1940S6 3

Aktiengesellschaft
Zweigniederlassung Numbers

Wärmetauscher aus quer angeströmten Rippenrohren

Die Erfindung bezieht sich auf einen aus mit Kreisrippen versehenen Rohren bestehenden Wärmetauscher mit quer zur Rohrerstreckung gerichteter Anströmung durch ein Wärmeaus tausohmedium,

Es ist bekannt, daß gegenüber einem außen glattwandigen Rohr ein Rippenrohr eine wesentlich größere Oberfläche besitzt und somit in der Lage ist, vergleichsweise eine wesentlich größere Wärmemenge zu übertragen.

Pur die Beurteilung der Rippenwirksamkeit ist der sogenannte Rippenwirkungsgrad #{ maßgebend, der gemäß Definition den theoretischen Wert 1 erreichen würde, wenn die Oberflächentemperatur der Rippe in ihrer gesamten Ausdehnung gleich groß wäre wie die Oberfläohentemperatur des unberippten, also des außen glatten Rohres.

Naturgemäß sinkt die Oberfläohentemperatur einer solchen Rippe, bedingt durch den Wärmeleitwiderstand des Rippenmaterial·, von der Habe nach der Rippenapitze je naoh den Temperaturbedingungen des Wärmeauetausehea und den geometrischen Abmessungen mehr oder weniger ab, so daß der

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Rippenwirkungsgrad lediglich Werte erreicht, die erheblich unter 1 liegen.

Wie weiter unten in der ersten Figur veranschaulicht, die einen Querschnitt durch eine Einzelrippe und darüber den Temperaturverlauf für ein wärmeabgebendes Rippenrohr wiedergibt, fällt die Temperatur von der Temperatur 3 am Rippenfuß auf die Temperatur $ ^ an der Rippenspitze ab, so daß sich über der Rippenhöhe h eine mittlere Temperatur *3 einstellt. Mit der Temperatur des umgebenden Wärmeaustauschmediums ergibt sich ein Rippenwirkungsgrad gemäß ·η = ff/ r - ν 2

Untersuchungen derartiger Wärmeübergangsverhältnisse zeigen ferner, daß die örtliche Wärmeübergangszahl an der Rippenoberfläche keineswegs konstant ist, sondern symmetrisch zu der durch die Rohrmitte gehenden Hauptströmungsebene sehr stark variiert. Sie örtliche Wärmeübergangszahl ist insbesondere auf der Anströmseite wesentlich größer als auf der im Windschatten liegenden Abströmseite des Wärmeaus taue ohmediums, so daß der Rippenwirkungsgrad entsprechend absinkt. -■"-"■"-. VV

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, bei Röhren-Wärmetauschern der vorliegenden Art mit einer durch die Rohrrippen hindurchgeführten strömung des Wärmeaustauschmedium« die Geschwindigkeit de» Strömungemittels im Bereich der Rippenzwiechenräume möglichst gleich hoch zu halten und somit die Wärmeübergangs verhältnis se und damit den Rippenwirkungsgrad auf den höchstmöglichen Wert zu bringen. Die Strömungsgeschwindigkeit über die Rippenoberfläche ist nämlich keineswegs konstant· In der durch die Rohrmitte zur Hauptströmungsrichtung senkrecht stehenden Ebene nimmt beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit vom RippenfuS nach der Rippenspitze ab. Außerdem

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ist die für die Wärmeübergangszahl maßgebende Grenzschicht am Rippenfuß größer als an der Rippenspitze, wobei dies· Feststellungen sowohl für Einzelrohre wie auch für senkrecht zur Hauptetrömungsrichtung nebeneinander liegende Rippenrohr· gelten, denen weitere Rohrreihen fluchtend oder versetzt vor- bzw. nachgeschaltet sein können.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß die - bezogen auf die geradlinig zu den beiden Seiten des Rohrgpundkörpers durchgehenden Strömungsrichtungen des Wärmeaustauschmediums - auf den dem Rohrgrundkörper abgelegenen Seiten liegenden Teile des Außenumfanges der kreisförmigen Scheibenrippen von sich i

parallel zu der Rohrlängsachse erstreckenden, entsprechend dem Rippenumfang verlaufenden Strömungsleitflächen eines koaxial zu der Rohrlängsachse liegenden Verdrängungskörpers umgeben sind. Es wird somit das die Rippen durchströmende Wärmeaustauschmedium, vorzugsweise ein gasförmiges Arbeitsmedium gezwungen, die Rippen mit einem maximalen Beaufsehlagungsgrad zu bestreichen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, die der Anströmung des Wärmeaustauschmediums zugewendeten Flächen des Verdrängtnigskörpers als sich in Strömungsrichtung verengende, die Eintrittsgeschwindigkeit erhöhende Einlaufdüse zu gestalten, die symmetrisch zur Strömungs- (

mittelebene liegt und sich parallel zur Rohrlängsachse erstreckt. Erfindungsgemäß ist ferner, dem Verdrängungskörper ein mit der Rohrlängsachse parallel verlaufender, ebenfalls symmetrisch zur Strömungsmittelebene liegender, die im Bereich der Rippen erhöhte Geschwindigkeit in statischen Druck umsetzender Diffusor in Strömungsrichtung nachgeschaltet, wodurch der Gesamtwiderstand beispielsweise einer Rippenrohrreihe wesentlich verringert wird. Die seitliche Abdeckung bzw. Umfassung der Scheibenrippen hat nach dem Erfindungsvorschlag so zu erfolgen, daß die Breite des

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Strömungsquerschnitts am Eintritt und am Austritt des strömenden Mediums im Bereich der Rippenfläche annähernd doppelt so groß ist wie die Rippenhöhe. Es ist nämlich die Forderung zu erfüllen, die Geschwindigkeit des Strömungsmittels im Bereich der Zwischenräume der Scheibenrippen möglichst gleich hoch zu halten. Wenn nämlich dafür gesorgt wird, daß die Geschwindigkeit des Strömungsmittels am Eintritt in den Rippenbereich, ferner in der zur Hauptströmungsrichtung senkrechten, durch die Rohrachse gehenden Ebene und schließlich die Geschwindigkeit am Austritt des Strömungsmittels aus dem Rippenbereich, also insgesamt an drei charakteristischen Stellen des Strömungsweges, gleich groß ist, so ist diese Forderung weitestgehend erfüllt. Dies gilt in genauer Weise, wenn die Rippenstärke, wie es bei dünnen Rippen der Fall ist, gegenüber dem Strömungsquerschnitt vernachlässigt werden kann. Ist die Rippenbreite gegenüber dem Strömungsquerschnitt nicht zu vernachlässigen, so ist der Ein- bzw. Austrittsquerschnitt entsprechend zu vergrößern.

Für den Fall der wärmeabgebenden Rippe und umgekehrt ist naturgemäß das die Rippen durchströmende Volumen des Strömungsmittels am Austritt aus dem Rippenbereich gegenüber dem Eintrittsvolumen größer, und zwar entsprechend dem Verhältnis der absoluten Temperaturen. Dieser Einfluß aus der vorgesehenen Aufwärmung bzw. Abkühlung des Strömungsmittels in Bezug auf eine Korrektur des Verhältnisses von Abfluß- und Zuflußquerschnitt kann leicht berücksichtigt werden, doch ist dieser Einfluß in den meisten Fällen so gering, daß er nur in besonderen Fällen berücksichtigt zu werden braucht.

Von wesentlicher Bedeutung ist die Kombination der Verdrängungskörper zur Erzielung konstanter Durohflußgeschwindigkeit des Arbeitsmittels durch die Rippenflächen mit zweckmäßigen konstruktiven Maßnahmen zur Verringerung der Druokverluste. Hierfür eind auf der Eintritteeeite Ein-

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laufdüsen und am Austritt aus der letzten Rohrreihe grundsätzlich Diffusoren vorgesehen. Beide Bauteile kombiniert mit den Verdrängungskörpern sorgen dafür, daß der Strömungswiderstand nioht oder nur unwesentlich ansteigt, während der Rippenwirkungsgrad' ganz erheblich verbessert wird, so daß die ausgetauschte Wärmemenge nach bisherigen Untersuchungen um 20 - 40$ gesteigert werden kann.^

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung in schematischen Darstellungen veranschaulicht,' und zwar zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Scheibenrippe mit Temperaturverlauf,

Fig. 2 ein Rippeneinzelrohr in teilweisem Querschnitt, Fig. 3 einen Längsschnitt A-B-O-D gemäß Fig. 2, Fig. 4 die Anordnung von drei Rippenrohren mit mit diesen fluchtenden weiteren zwei Rohrreihen. Fig. 5 veranschaulicht eine Anordnung mit zwei zueinander versetzten Rohrreihen, Fig. 6 eine Abwandlung des Verdrängerkörpers, Fig. 7 einen Längsschnitt E-F-G-H nach Fig. 6 und Fig. 8 drei unter einem Winkel zur Strömungerichtung liegende fluchtende Rohrreihen.

In Fig. 1 ist bei dem Rohrgrundkörper 1 eine der kreisförmigen Scheibenrippen mit 2 bezeichnet, deren Dicke mit a und deren Höhe mit h benannt ist, die wiederum vom Rippenfuß bis aur Rippenspitze reioht. In dem darüber veranschaulichten Temperaturverlauf bedeutet <\Γ _wft die Temperatür am Rippenfuß, die auf die Temperatur^ _h an der Rippenapitzt abfällt, so daß sioh über die Rippenhöhe h eine mittlere Rippentemperatur ν _r ergibt. Mit einer Tempera-

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tür ** ₂ des umgebenden Wärmeaustauschmediums ergibt sich ein Rippenwirkungsgrad Ϊ) = ^r - λ? 2

9 wa - ,5 2

In Fig. 2 ist wieder mit 1 der Rohrgrundkörper benannt, dessen eine Rippe mit 2 bezeichnet ist, deren Rippenumfang bei 3 angedeutet ist. Entsprechend diesem Rippenumfang wird die kreisscheibenförmige Rippe 2 auf einem Teil ihres Umfanges, und zwar koaxial zu der durch Punkt B hindurchgehenden Rohrlängsachse von einem Verdrängungskörper 4, 4^f umgeben, dessen Leitflächen mit 5 und 5^f benannt sind, die so weit um den Umfang der Rippe 2 herumgeführt sind, daß jede der Breiten b 1 bzw. b 2 des Strömungsquerschnitts am Ein- und Austritt des Wärmeaustauschmediums gleich und doppelt so groß ist wie die Rippenhöhe h. Es gilt die Regel b₁ ■ b₂ = 2 h .

Auf der Anströmseite 6 des Wärmeaustauschmediums ist dem Verdrängerkörper 4, 4* eine Einlaufdüse 7 vorgeschaltet, die der ankommenden Strömung entsprechend d«m verengten Düsenquerschnitt eine höhere Eintrittsgeschwindigkeit verleiht. Auf der anderen Seite der Rippe 2, d.h. auf der Abströmseite 8 ist dem Verdrängerkörper 4, 4¹ ein Diffusor 9 nachgeschaltet, durch den die erhöhte Geschwindigkeit in statischen Druck umgewandelt und der Gesamtwiderstand einer Rippenrohrreihe verringert wird. Die Verdrängerkörper 4 und 4¹ können aus einem Bauteil oder getrennten Bauteilen bestehen, wie auch mit der Einlaufdüse 7 und dem Diffusor 9 zu einer Einheit verbunden sein.

Bei dem Wärmetauscher nach Fig. 4 sind drei Rippen-Rohrreihen nebeneinander angeordnet und diese werden in gleicher Richtung vom Wärmeaustauschmedium von unten nach oben angeströmt und durchströmt, wobei mit jedem dieser Rohre fluchtend zwei weitere Rippenrohre vorgesehen sind. Di· Rohre sind wieder mit 1 und die kreiesoheibenförmigen Rippen mit 2 benannt. Di« Einlaufdüsen eetztn sich au» spitz zulaufenden Bauteilen 10 oder wahlwtiat aus abgt-

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rundeten Bauteilen 11 zusammen und "bilden zugleich mit ihren Flächen 12 "bzw. 13 als Verdrängerkörper einen Teil der Abdeckung bzw. Umfassung des TJmfanges 3 der Kreisrippen 2. Zwischen zwei quer .zur Strömungsrichtung liegenden Rippenrohrreihen sind weitere Verdrängerkörper 15 eingebaut, die wiederum mit kreisbogenförmigen Flächen 16, 17 entsprechend dem Umfang 3 der Kreisrippen 2 die Ausrichtung des durchströmenden Mediums übernehmen, so daß die einzelnen Stromfäden den auf der linken Seite eingezeichneten Verlauf nehmen und eine intensive Beaufschlagung der Rippenflächen bewirkt sowie damit ein hoher Rippenwirkungsgrad erzielt wird. Bei den Abströmungen 18 sind wieder Diffusoren 19 vorgesehen.

Die in Fig. 5 veranschaulichte abgewandelte, d.h. versetzte Anordnung der Rippen zweier Rohrreihen führt zu dem Vorteil, daß die einzelnen Stromfäden, die bei der Rohrreihe den Rippenfuß umströmen, bei der zweiten Rohrreihe jedoch die außen liegenden Rippenflächen bestreichen, was eine abermalige Erhöhung des Rippenwirkungsgrades herbeiführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die zwischen zwei Rohrreihen liegenden Verdrängerkörper 20 mit den Einströmdüsen 21 "bzw, Diffusoren 22 für die Zu- bzw. Abströmung als durchgehende Bauteile gestaltet, wobei sich jede Abströmung durch diese Verdrängerkörper auf in Strömungsrichtung hintereinander liegende Scheibenrippen symmetrisch in zwei Richtungen 23 und 24- aufteilt.

Bei der ebenfalls versetzten Anordnung der Rippenrohre zweier Rohrreihen nach Fig. 6 findet ebenfalls ein wech-. selndes Bestreichen der Flächen des Rippenfußes und der Rippenspitze durch das Arbeitsmedium statt. Die zwischen zwei Quer-Rippenrohrreihen liegenden Verdrängerkörper 25 und 26, die gleichgestaltet, jedoch wechselweise in um gekehrter Richtung eingebaut Bind, verteilen jede Abströmung von einer Scheibenrippe symmetrisch auf zwei nachfol gende Scheibenrippen, wobei wieder die über die Rippen-

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spitzen der einen Rohrreihe streichenden Stromfäden anschließend an den Rippenfüßen der Scheibenrippen der anderen Rohrreihe entlangströmen und somit ebenfalls eine intensive Beaufschlagung der Rippenflächen bei Erzielung eines hohen Rippenwirkungsgrades bewirkt wird. Bei 27 bzw. 28 liegen wieder die Einlaufdüsen bzw. Diffusoren, während bei 29 die Anströmung und bei 30 die Abströmrichtung angedeutet ist.

Die in Fig. 8 gezeigte weitere Abwandlung der Anordnung der Rippenrohre verwendet eine Rohr-Doppelreihe, deren beide Reihen zur senkrechten Anströmrichtung des Wärmeaustauschmediums von unten nach oben parallel und in einem Winkel von etwa 45° liegen. Hierbei ergibt sich eine besondere Gestaltung der Verdrängerkörper. Die Rohrgrundkörper sind wieder mit 1 und die Scheibenrippen mit 2 benannt. Die dieser Lage der Rippenrohrreihen entsprechenden Verdrängerkörper 31 bilden wieder auf der Anströmseite 32 Einströmdüsen 33 und auf der Abströmseite 34 Diffusoren 35, damit die gestellten Forderungen der möglichst gleich hohen Geschwindigkeit des Strömungsmittels im Bereich der Rippenzwischenräume erfüllt werden.

Schließlich wird noch vorgeschlagen, bei der Anordnung von mehreren Rohrreihen in Strömungsrichtung die Rohrteilung in zur Strömungsrichtung senkrechter Richtung ungefähr entsprechend oder etwas größer als den Rippenaußendurchmesser zu wählen, während die Rohrteilung in hierzu senkrechter Richtung größer sein kann, um durch strömungstechnisch vorteilhafte Gestaltung der Verdrängerkörper möglichst geringe Strömungsverluste in Kauf nehmen zu müssen.

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Claims

Patentansprüche

1. \Aus mit Kreisrippen versehenen Rohren bestehender Wftrme- \ /tauscher mit quer zur Rohrerstreokung gerichteter Anströmung durch ein Wärmeaustauschmedium, dadurch gekennzeichnet} daß die - bezogen auf die geradlinig zu den beiden Seiten des Rohrgrundkörpers (1) durchgehenden Strömungsrichtungen des Wärmeaustauschmediums - auf den dem Rohrgrundkörper (1) abgelegenen Seiten liegenden Teile des Außenumfanges (5) der kreisförmigen Scheibenrippen (2) von sich parallel zu der Rohrlängsachse erstreckenden, entsprechend dem Rippenumfang verlaufenden Strömunga-Leitflachen (5» 5 *) eines koaxial zu der Rohrlängsacheβ liegenden Verdrängerkörpers (4, 4¹) umgeben sind (fig* 2).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Anströmung des Wärmeaustausohmediuma zugewendeten Flächen des Verdrängerkörpers (4» 4') als sich in Strömungsrichtung verengende, symmetrisch zur Strömungsmittelebene liegende, die Bintrittsgeschwihdigkeit erhöhende Einlaufdüse (7) gestaltet ist, die sich . parallel zur Rohrlängsachse erstreckt«

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3. Wärmetauscher nach. Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdrängerkörper (4, 4-¹) ein mit der Rohrachse parallel verlaufender, symmetrisch zur Strömungsmittelebene liegender, die im Bereich der Sippen erhöhte Geschwindigkeit in statischen Druck umsetzender Diffusor (9) in Strömungsriohtung nachgeschaltet ist (Fig. 2).

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche, teilweise Abdeckung bzw. Umfassung der Scheibenrippen (2) so erfolgt, daß die Breite des Strömungsquerschnitts (b.* bzw. b«) am Ein- und am Austritt des strömenden Mediums im Bereich der Bippenflächen annähernd doppelt so groß ist wie die Hippenhöhe (Fig. 2).

5. Aus zwei oder mehreren untereinander parallelen, mit quer zur Strömungsrichtung angeordneten Rohrreihen bestehender Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß unter Beibehaltung der Einlaufdüsen (10 bzw. 11) und der Diffusoren (19) an der Strömungseintritts- bzw. Austrittsseite die zwischen zwei benachbarten Rohrreihen befindlichen Teile einee Verdrängerkörpers (15) mit zu den mittleren Strömungsriohtungen parallel verlaufenden, beidseitig bis fast an die Kreisringscheiben (2) herangeführten geradlinigen Strömungs-Führungsflachen (15') versehen sind (Fig. 4).

6. Wärmetauscher naoh Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungs-Führungsflachen (15·) der Yerdrängerkörper (15) in parallelen Ebenen verlaufen, in denen die Rippenrohre (1) zwei- oder mehrfach hintereinander angeordnet sind (Fig. 4).

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) 4er quer zur Hauptströmungs-

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richtung verlaufenden Rohrreihen mit halber Rohrteilung versetzt und symmetrisch zueinander angeordnet und die dazwischen liegenden Verdrängerkörper (20) derart angeordnet und ausgebildet sind, daß sich die Stromfäden jeder Kreisringsoheibe (2) symmetrisch auf zwei in Strömungsrichtung dahinterliegenden Kreisringscheiben verteilen (Fig. 5).

8. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Verdrängungskörper (20, 21) sich durchgehend von einer Rohr-Querreihe bis zur nächsten Rohr-Querreihe erstreckt (Fig. 5).

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jede der Quer-Rohrreihen und zwischen zwei benachbarte Kreisringscheiben (2) und der versetzt zu diesen liegenden Kreisringscheibe der anderen Rohrreihe je ein im Querschnitt etwa rhombenförmiger Verdrängungskörper (25 bzw. 26) eingebaut ist (Fig. 6).

10. Wärmetauscher mit mit halber Teilung versetzt zueinander und hintereinander liegenden Rohrreihen nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei in HauptStrömungsrichtung unter einem Winkel liegenden, parallelen zwei oder mehreren Rohr-Querreihen die Verdrängerkörper (31) als durchgehende Bauteile unter Beibehaltung der Einström- und Austrittsverhältnisse gestaltet sind (Fig. 8).

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rippenrohre (1) in den zur Strömungsrichtung senkrechten Ebene mit ihren Rippen-Außendurohmessern berühren (Fig. 4, 6).

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12. Wärmetauscher naoh den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung von mehreren Rohrreihen in Strömungsrichtung die Teilung in Strömungsrichtung größer ist als der Außendurchmesser der Scheibenrippen (2).

13. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängungskörper aus Kunststoff bestehen.

14. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 13,dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrängungskörper mit den Einlaufdüsen und/oder Austrittsdiffusoren ein gemeinsames Bauteil bilden.

15. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehrreihigen, quer zur Strömungsrichtung liegenden Rippenrohren (1) die Rohrreihen unter einem Winkel von etwa 45° zur HauptStrömungsrichtung (32) liegen (Fig. 8).

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