DE1950246A1 - Waermetauscher aus einem Metallrohr mit zylindrischem Aussenumfang - Google Patents

Description

DIPL.-ING. GÜNTHER EISENFÜHR DIPL.-INQ. DIETER K, SPEISER

PATENTANWÄLTE f 9 5 O 2 4

Aktenzeichen: Neuanmeldung ■ 28BREMEN1

B0RGERMEISTER-8MIDT-STR

ANMEtDERNAME: ESCOA CORPORATION (TRINIDAD-HAUS)

TELEFON: (0421) J1J«T7 TELEQRAMME: FERROPAT

BREMER BANK 1009072 POSTSCHECK HAMBURQ 255767 UNS. ZEICHEN: E 24

Datum: 4. Oktober 1969

ESCOA CORPORATION, eine Gesellschaft nach den Gesetzen des Staates Oklahoma, 3600 E. Highway 69A, Pryor, Oklahoma,(V. St. A.)

Wärmetauscher aus einem Metallrohr mit zylindrischem Außenumfang

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher aus einem Metallrohr mit zylindrischem Außenumfang und einer spiralförmig auf diesen entlang einer Streifen-Längskante aufgeschweißten, aus einem länglichen .Streifen bestehenden Rippe.

Rohrförmige Wärmetauscher werden in einer großen Vielzahl von Anwendungsfällen dazu benutzt, Wärme von einem Medium auf ein anderes zu übertragen. So können beispielsweise mehrere Rohre parallel zueinander innerhalb eines Gehäuses untergebracht sein, um Wärme aus den heißen Abgasen von Turbinen abzuziehen. In diesem Fall wird normalerweise Wasser verwendet und durch die Rohre geleitet, während die Abgase entlang der Außenflächen des Wärmetauscher-Rohres passieren. Derartige Abgaswärme-Wiedergewinnungsanlagen müssen üblicherweise große Gasmengen verarbeiten können, ein niedriges Temperatur-

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differential zwischen dem Turbinenauslaß und dem aufgeheizten Medium (Wasser) aufweisen und nur einen geringen Druckabfall über das gesamte System haben, um die optimalen Betriebsbedingungen der Turbine aufrechtzuerhalten. Diese Bedingungen fordern zwingend die Verwendung von ausgedehnten Wärmeübergangsflachen. Rohrartige Wärmetauscher mit ausgedehnten Wärmeübertragungsflächen, das heißt also Rohre mit Radialrippen, werden daher in Abgaswärme-Wiedergewinnungsanlagen in starkem Umfang benutzt.

Mit Radialrippen versehene Rohre werden auch auf vielen anderen Anwendungsgebieten zur Verbesserung des Wärmeübergangs, wie z. B. in Boilern oder Speisewasservorwärmern benutzt, weil derartige Wärmeaustausch—Elemente bei verhältnismäßig geringen Kosten außerordentlich gute Wirkungsgrade haben. Tatsächlich sind die Kosten und die räumlichen Abmessungen die beiden wichtigsten Faktoren, die die Wahl des einen oder anderen Wärmetauschers beeinflussen. Eine Verringerung auch nur eines dieser Faktoren um nur wenige Prozent bedeutet daher gerade auf diesem Gebiet der Technik einen sehr bedeutenden Fortschritt.

Rippenrohre der vorbeschriebenen Art werden so hergestellt, daß ein Metallstreifen entlang eines spiralförmigen Pfades rund um den Rohrumfang aufgeschweißt werden. Die wirksame Wärmeaustauschfläche eines Rippenrohres nimmt bei konstanter Rohrlänge zu mit einer Erhöhung der Rippenhöhe über dem Rohrumfang. Die zunehmende Rippenhöhe bedeutet aber, daß der Raumbedarf pro Wärmeaustausch-Element entsprechend wächst. Hinzu kommt, daß der Wirkungsgrad des Wärmeüberganges mit zunehmender Rippenhöhe geringer wird, während andere Faktoren konstant bleiben. Die Auswahl einer bestimmten Rippenhöhe bedeutet daher, daß man einen Kompromiß unter diesen verschie-

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denen Faktoren schließen muß.

Rohre mit durchgehenden Rippen, die also einen kontinuierlichen Rippenstreifen benutzen, sind in extrem großen Stückzahlen eingesetzt worden. Nichtsdestoweniger ist die Herstellung dieser Art von Rippenrohren schwierig und demzufolge kostspielig, weil große Kräfte zum Biegen der Streifen rund um das Rohr benötigt werden.

Diese Herstellungsprobleme bei Rohren mit durchgehenden Rippen werden weitgehend vermieden, wenn die Rippen mit Ausnahme eine? schmalen Kanten- oder Bodenbereiches zu Segmenten eingeschnitten werden, wobei dann die verbleibende durchlaufende Kante auf das Rohr aufgeschweißt wird. Eine solche Segmentrippe bedeutet aber wiederum eine Verringerung der verfügbaren Wärmeübergangsfläche bei Rippenhöhen, die verhältnismäßig groß mit Bezug auf den Rohrdurchmesser sind. Durch Einschneiden, Auftrennen o. dgl. der Rippen geht der Raum zwischen jeweils zwei Segmenten verloren. Man hat deshalb angenommen, daß die Verwendung einer aus Segmenten bestehenden Rippe zu einer Verringerung der Wärmeaustauschfläche gegenüber einer durchgehenden Rippe bis zu zwanzig Prozent beträgt und daß mit abnehmender Rippensegmentgröße die Wärmeaustausch^ lache entsprechend stark verringert würde. Aus diesem Grund hat man daher die Segmentbreite unter Berücksichtigung der Herstellungsprobleme beim Biegen der Rippe rund um die Rohroberfläche so groß wie möglich gemacht.

Es hat sicn nun aber gezeigt, daß die Verwendung einer geschlitzten Rippe mit Segmenten von schmaler Breite und Höhe mit Bezug auf den Rohrdurchmesser nicht nur die Herstellung gegenüber Rohren mit durchgehenden Rippen vereinfacht, sondern zusätzlich eine Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche gegenüber einem Rippenrohr gleicher

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Abmessungen und durchlaufenden Rippen mit sich bringt. Der die Erfindung darstellende Vorschlag führt also dazu, daß man bei nur geringen räumlichen Anforderungen und mit nur minimalen Kosten eine maximale Wärmeübergangsfläche erhält. .

Das erfindungsgemäße Wärmeaustausch-Element besitzt ein Metallrohr mit einem länglichen Rippenstreifen, der auf einem spiralförmigen Pfad rund um den Rohrumfang aufgeschweißt ist. Der Metallstreifen der Rippe ist in Intervallen quer geschlitzt bis vor den Längskantenbereich der Rippe, die zum Aufschweißen verwendet werden soll. Die geschlitzte Rippe"bildet somit eine Vielzahl von im wesentlichen identischen rechteckigen Segmenten, die. etwa radial vom Rohr abstehen. Die Segmente haben eine Breite im Bereich von 5 bis 2,5 mm (1/5 bis... 1/10 Zoll) _r und ihre Höhe sowie Dicke bestimmt sich aus folgender Gleichung: DT • HW +TW; hierin bedeuten D den RohraußendurchiTiesser, H die Höhe, T die Dicke und W die Breite der einzelnen Segmente. Stellt man nach diesem Vorschlag ein Wärmeaustausch-Element her, das ein Rohr mit einem Durchmesser von 3 Zoll und Segmenten verwendet, die 3/8 Zoll hoch, O,05 Zoll dick und 5/32 Zoll breit sind, so erhält man eine Zunahme an. Wärmeübergangs— fläche von etwa 10 Prozent gegenüber einem Wärmeaustauscher mit durchgehendem Rippenstreifen und im übrigen gleichen Abmessungen. Die Verwendung der kleinen Segmente erhöht die Oberfläche gegenüber einer durchlaufenden Rippe dadurch, daß die Kantenbereiche der Segmente freiliegen., -■'..' · . - . ■

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein Rippenrohr bekannter Ausführung;

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Rippenrohr; und

Fig. 3 eine teilgeschnittene Seitenansicht des Rohres gemäß Fig. 2 in verringertem Maßstab.

In Fig, 1 ist ein dem Stand der Technik entsprechendes Wärmeaustausch-Element 10 gezeigt, das ein mittig laufendes Rohr 12 besitzt, auf das ein länglicher Metallstreifen 1.4 spiralförmig aufgewickelt ist. Der Metallstreifen 14 hat eine Längskante 16, die mit dem Rohr 12 verschweißt ist. Die bei einem Rippenrohr mit durchgehender Rippe verfügbare Wärmeübergangsfläche in Quadratfuß ergibt sich durch folgende Gleichung:

(1-TS) + SjI (4DH + 4H²) + -γ- (D + 2hJ.

In dieser Gleichung bedeutet K eine Konstante von der Größe -ä· 5 D den Außendurchmesser des Rohres in Zoll, S die Anzahl von Rippen pro Zoll in der Rohrlängsachse, T die Rippendicke und H die Rippenhöhe jeweils in Zoll.

In Fig. 2 ist demgegenüber ein Wärmetauscher-Element 20 gezeigt, das gemäß der erfindungsgemäßen Lehre aufgebaut ist,und ein Rohr 22 sowie eine geschlitzte Rippe 24 besitzt. Diese Rippe 24 wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß ein Metallstreifen in Intervallen quergerichtet geschlitzt wird, wobei eine Längskante 26 bzw. ein Bodenabschnitt durchlaufend bleibt. Auf diese Weise entstehen eine Vielzahl von im wesentlichen identischen rechteckigen Segmenten 28. Der Bodenabschnitt 26 der Rippe 24 ist auf einem spiralförmigen Pfad rund um die Außenseite des Rohres 22 auf diese aufgeschweißt, und zwar ent-

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weder mit einer Punktschweißnaht gemäß Fig. 3 oder aber mit einer durchlaufenden Naht.

Die Verwendung einer geschlitzten Rippe mit Segmenten, die gegenüber dem Rohrdurchmesser eine verhältnismäßig geringe Höhe und Breite haben, führt zu einer Zunahme der Oberfläche gegenüber derjenigen bei einer glatt durchlaufenden Rippe von im übrigen gleichen Abmessungen. Diese Zunahme hat ihre Ursache in den jetzt freiliegenden Kantenbereichen 30 zwischen benachbarten Segmenten. Die Wärmeübergangsfläche bei einem Rippenrohr mit geschlitzten Rippen berechnet sich aus folgender Gleichung:

— (1-TS) + H (W * T) +

Die neue Größe W bedeutet hierin die Breite der einzelnen Segmente in Zoll.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung liegt die Breite der Segmente unter 5 mm (1/5 Zoll). Sie liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 5 und 2,5 mm (1/5 bis 1/10 Zoll) Die Segmente haben eine Breite und Dicke,übereinstimmend mit der Gleichung DT > HW + TW. Die Verwendung von geschlitzten Rippen mit einer Dicke von etwa 0,5 bis 1,5 mm (20 bis.60 Tausendstel Zoll) sowie einer Breite und Höhe gemäß der vorgenannten Gleichung bei Rohren mit Durchmessern von 140 mm (1,5 Zoll) und größer bedeutet, daß die Wärmeübergangs-Fläche größer wird als bei Wärmetauschern mit durchlaufenden Rippen. Die Verwendung einer geschlitzten Rippe auf einem Rohr von ca. 75 mm Durchmesser (3 Zoll) -mit 4 mm (5/32 Zoll) Segmenten ergibt eine vergrößerte Wärmeübergangsfläche bei einer Rippenhöhe von 25 mm (1 Zoll) sowie einer RippendieJee von 1,5 mm (0,06 Zoll). Je geringer die Rippenhöhe b«i den Segmenten des Rohres ist, desto größer müssen die ver-

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bleibenden Abmessungen sein, um eine größere Wärmeübergangsfläche im Vergleich zu einem Wärmetauscher mit durchlaufender Rippe zu erhalten. Hinzu kommt, daß die Verwendung von geschlitzten Rippen mit schmalen Elementen eine Erleichterung der Reinigung bedeutet, da'das Reinigungsmittel, zum Beispiel Dampf, sehr viel leichter zirkulieren kann als im Falle von Wärmetauschern mit durchlaufender Rippe«

Zusammengefaßt ergibt sich also, daß ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Wärmetauscher preiswert in der Herstellung ist und die Erlangung einer optimalen Wärmeübergangsfläche gestattet, und zwar auch dort, wo der Umgebungsraum für die Rippen rings um das Rohr verhältnismäßig klein gegenüber dem Rohrdurchmesser ist.

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1. ANSPRÜCHE

   Wärmetauscher aus einem Metallrohr mit zylindrischem Außenumfang und einer spiralförmig auf diesen entlang einer Streifen-Längskante aufgeschweißten, aus einem länglichen Streifen bestehenden Rippe, die in Intervallen quergerichtet bis vor die Längskante geschlitzt ist und eine Vielzahl von im wesentlichen identischen Segmenten bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (28) im wesentlichen rechteckig ausgebildet sind, eine Breite von unter 5 mm (1/5 Zoll) haben uhd hinsichtlich ihrer Höhe und Dicke entsprechend der Gleichung

   DT > HW + TW

   ausgebildet sind, worin H die Segmenthöhe, D den Rohraußendurchmesser, T die Segmentdicke und W die Segaantbreite bedeuten,

   2* Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (28) eine Breite im Bereich von 2,5 bis 5 mm (1/lC bis 1/5 Zoll) haben.

   3· Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Rohres (22) größer ist als SG jnm (2 Zoll),

   4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (28) eine Breite von etwa 4 mm (5/32 Zoll) haben.

   S· Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente eine Dicke haben, die größer ist als 0,64 mm (0,025 Zoll).

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