DE19526917A1 - Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente - Google Patents
Längswirbelerzeugende RauhigkeitselementeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steigern des Wärmeüberganges in einer
turbulenten Strömung zwischen einer Wand und einem Wärmeträgerfluid, das an der
Wand entlangströmt, wobei die Konvektion im wandnahen Bereich durch Erhöhung
des Turbulenzgrades und durch Austausch von wandnahem Fluid durch Fluid im
Kernbereich der Strömung mittels induzierter Längswirbel erhöht wird. Ferner betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens.
Der Wärmeübergang im wandnahem Bereich turbulenter Strömungen beruht im
wesentlichen auf den Transportmechanismen der molekularen Diffusion, also der
Wärmeleitung, welche von den Stoffeigenschaften abhängt, und der turbulenten
Konvektion, also der Verwirbelung, welche vom Turbulenzgrad abhängt. Häufiges Ziel
von Strömungsmanipulationen durch Einbauten ist es, den Wärmeübergangskoeffi
zienten zu erhöhen, um dadurch bestimmte Fluid- und/oder Materialtemperaturen zu
erreichen. Hierbei ist zu beachten, daß sämtliche Strömungsmanipulationen durch Ein
bauten auch die Strömungsverluste bzw. die notwendige Pumpleistung erhöhen. Das
Ziel besteht also in der optimalen Gestaltung der Einbauten, die bei gegebener
Wärmeabfuhr einen möglichst kleinen Druckverlust erzeugen und damit die notwendi
ge Pumpleistung minimieren.
Aufgrund der starken Quervermischung im Kernbereich einer turbulenten Strömung,
liegt der thermische Widerstand in erster Linie in der viskosen Unterschicht der Strö
mung. Wärmeübergangssteigernde Einbauten sollten also geringfügig höher sein, als
die viskose Unterschicht dick ist, um eine Vermischung zwischen der Kernströmung
und der viskosen Unterschicht zu bewirken. Die Dicke der viskosen Unterschicht kann
in einer hydrodynamisch vollentwickelten turbulenten Strömung mit einem Wert kleiner
fünf, gebildet aus dem Produkt des Wandabstandes mit dem Kehrwert der kinemati
schen Viskosität und mit der Wurzel aus der Wandschubspannung dividiert durch die
Dichte, angegeben werden. Bei Einbauten mit bis zu einer geringfügig größeren Höhe
als der Dicke der viskosen Unterschicht spricht man auch von Rauhigkeitselementen.
Neben homogener Rauhigkeit, wie der Sandrauhigkeit, gibt es die strukturierte oder
auch diskrete Rauhigkeit.
Die Erfindung stellt demnach eine strukturierte Rauhigkeitsform dar, bei der die
Rauhigkeitselemente durch Anbringen, Ausprägen oder Ausstanzen an der wärme
übertragenden Wand positioniert werden.
Die Erfindung nach den Ansprüchen 1-5 hat dementsprechend die Aufgabe durch
Turbulenzanregung in der viskosen Unterschicht und durch Längswirbel, welche in die
Strömung induziert werden und wandnahes Fluid aus der viskosen Unterschicht mit
wandfernen Fluid aus dem Kernbereich der turbulenten Strömung austauschen, den
Wärmeübergang zu erhöhen. Untersuchungen haben gezeigt, daß die induzierten
Längswirbel im zeitlichen Mittel sehr stabil sind und weit in die Kernströmung reichen.
Die Längswirbel entstehen durch Ablösung der Strömung entlang der Seitenkante
eines Rauhigkeitselements, hervorgerufen durch die Druckdifferenz zwischen Druck- und
Saugseite des Rauhigkeitselementes. Aufgrund der Schräganstellung des Rauhig
keitselementes zur Strömung bildet sich ein Längswirbel aus, das heißt, daß die
Wirbelachse näherungsweise in Strömungsrichtung weist.
Bei einer Anstellung des Wirbelerzeugers quer zur Strömung, also mit einem Anstell
winkel von 90° würde sich ein Querwirbel bilden, bei dem die Wirbelachse quer zur
Hauptströmungsrichtung verläuft.
Aufgrund der Schräganstellung der längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente zur
Hauptströmungsrichtung, ihrer geringen Höhe und der Verwendung vorzugsweise
möglichst dünner Platten, ergibt sich nur eine sehr kleine Staudruckfläche, so daß die
Strömungsverluste durch die Verminderung des Formwiderstandes im Vergleich zu
Querrippen wesentlich kleiner sind. Weiterhin werden aufgrund der Längswirbel die
Rückströmgebiete und damit die Strömungsverluste im Vergleich zu Querwirbeln
wesentlich reduziert. Untersuchungen haben gezeigt, daß die Längswirbelerzeuger bei
konstantem Volumenstrom nicht nur einen geringeren Druckverlust, sondern auch
einen höheren Wärmeübergang gegenüber Querrippen erzielen.
Bekannt sind Längswirbelerzeuger in Rechteckform (EP 0 530 721), die allerdings
aufgrund ihrer Größe von 0,5-0,6 des Abstandes zwischen der wärmeübertragenden
Wand und der Gegenfläche für den Einsatz in turbulenten Strömungen ungeeignet
sind, da das Verhältnis von Wärmeübergang zu Strömungsverlust gegenüber längs
wirbelerzeugenden Rauhigkeiten wesentlich kleiner ist. Weiterhin sind diese Längs
wirbelerzeuger im Vergleich zu den hier angesprochenen bezogen auf ihre Höhe e
kürzer. Bei diesen Wirbelerzeugern zeigt sich, daß sie eine besonders hohe Steige
rung des Wärmeüberganges an der gegenüberliegenden Wand bewirken.
Die Erfindung weist demgegenüber folgende erfindungswesentliche Unterschiede auf:
Die Wirbelerzeuger besitzen eine Höhe von bis zu 5% des Wandabstandes der gegenüberliegenden Wände und verursachen dementsprechend wesentlich geringere Strömungsverluste als die Wirbelerzeuger nach EP 0 530 721.
Die Wirbelerzeuger besitzen eine Höhe von bis zu 5% des Wandabstandes der gegenüberliegenden Wände und verursachen dementsprechend wesentlich geringere Strömungsverluste als die Wirbelerzeuger nach EP 0 530 721.
Erst ab einer Höhe der längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente von 5%
des Wandabstandes der gegenüberliegenden Wände zeigt sich ein wärmeüber
gangssteigernder Einfluß an der gegenüberliegenden Wand. Der wärmeüber
gangssteigernder Einfluß findet jedoch selbst dann immer noch primär an der
Wand statt, an der die Wirbelerzeuger befestigt sind.
Während die Ausdehnung der Wirbel bei den Wirbelerzeugern nach EP 0 530 721
durch die gegenüberliegenden Wände begrenzt wurde, können sich die
Wirbel der längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente ausdehnen ohne
durch Reibung an der gegenüberliegenden Wand zu dissipieren.
Durch ihre größere Streckung verursachen sie bezogen auf die Höhe der
Rauhigkeitselemente einen stärkeren Wirbel als die Wirbelerzeuger nach EP 0 530721.
Während die Wirbelerzeuger nach EP 0 530 721 in erster Linie in laminaren
Strömungen eingesetzt werden, den Turbulenzgrad nicht erhöhen sollen und
der wärmeübergangssteigernde Mechanismus auf die Umlenkung der Strömung
mit einer resultierenden Spülungswirkung an der wämeübertragenden Wand
beruht, werden die längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente der Erfindung
in turbulenten Strömungen eingesetzt, wobei die wärmeübertragenden Mecha
nismen auf eine Erhöhung des Turbulenzgrades in der wandnahen viskosen
Unterschicht und eines Fluidaustausches von Kernströmung und wandnaher
Strömung in der viskosen Unterschicht durch Längswirbel beruhen.
Weiterhin sind Tütenwirbelgeneratoren nach DE-OS 37 39 619 bekannt, die ebenfalls
im Vergleich zu der Erfindung relativ groß gegenüber den Wandabständen sind. Für
diese Tütenwirbelgeneratoren gilt prinzipiell das gleiche wie für die Längswirbelerzeu
ger nach EP 0 530 721.
Längswirbelerzeuger für ein Wärmeaustauscherrohr nach DE 37 37 217 besitzen eine
saugseitige Ausstanzung, die sich im Vergleich zu einer druckseitigen Ausstanzung
nach eigenen Untersuchungen als weniger effektiv erwiesen hat. Die Erfindung weist
demnach im Falle einer Ausstanzung und Umbiegung der Längswirbelerzeuger für
eine normale Ausrichtung zur wärmeübertragenden Oberfläche gemäß Anspruch 1 bis
3 eine druckseitige Ausstanzung auf. Weiterhin besitzen die Längswirbelerzeuger für
ein Wärmeaustauscherrohr nach DE 37 37 217 eine Höhe die gleich dem Rippen
abstand, also dem Abstand der gegenüberliegenden Wände ist, so daß hier noch
verstärkt das gleiche wie für die Längswirbelerzeuger nach EP 0 530 721 gilt. Ein
weiterer erfindungswesentlicher Unterschied der Erfindung zu Längswirbelerzeugern
für ein Wärmeaustauscherrohr nach DE 37 37 217 besteht in der Anordnung. Wäh
rend die Längswirbelerzeuger nach DE 37 37 217 als einzelne Wirbelerzeuger zu
betrachten sind, die gleichgerichtet auf der wärmeübertragenden Oberfläche aufge
bracht sind und somit gleichsinnig rotierende Längswirbel erzeugen, beruht die
Erfindung gemäß der Ansprüche 1 bis 5 auf eine periodische Anordnung, die durch
die in Strömungsrichtung divergierende Anstellung der einzelnen Wirbelerzeuger in
nerhalb einer Periode ein gegensinnig rotierendes Wirbelpaar in die viskose Unter
schicht induzieren, deren gemeinsames zur Wand gerichtetes Strömungsfeld in der
Mitte einer Periode zu einer starken Erhöhung der Wärmeübertragung führen, wie sie
bei einzelnen Wirbelerzeugern nicht auftreten.
Einsatzgebiete der Erfindung finden sich zum Beispiel in den Kühlungskanälen von
Gasturbinenschaufeln bei Konvektionskühlung. Meist werden hier durchgehende
Rippen mit näherungsweise quadratischem Querschnitt eingesetzt. Abb. 6 zeigt
eine Turbinenschaufel nach DE 32 48 163, wobei die 90°-Auslöserippen durch
längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente ersetzt wurden. Hierdurch kann eine
wesentliche Verbesserung im zweiten und dritten Kühlungsdurchlaß anstelle der dort
vorgesehen 90°-Auslöserippen hinsichtlich Wärmeübergang und Druckverlust erzielt
werden.
Da die Rippen in Turbinenschaufeln gegossen werden, können spezielle Querschnitts
formen entsprechend Anspruch 5 entstehen. Die gegossenen Längswirbelerzeuger
sollten vorzugsweise sehr dünn sein, bzw. ihre Dicke δ sollte nicht größer als die
Höhe e entsprechend Anspruch 1 sein. Durch die Erfindung kann bei gleichem Druck
verlust die Wärmeübertragung gesteigert werden und somit die Schaufeltemperatur
gegenüber der Kühlung durch die herkömmlich eingesetzten 90°-Auslöserippen
gesenkt werden.
Weitere Einsatzgebiete der Erfindung finden sich in Platten- und Rippenrohrwärme
tauschern, Regeneratoren und in Kondensatoren bei denen turbulente Strömungen
auftreten.
Neben den Einsatz der längswirbelerzeugenden Rauhigkeitselemente in Kanälen,
können sie auch in Ringspalten eingesetzt werden. Als Beispiel sei hier die Ver
brennungsluftvorwärmung in Gasbrennern genannt, wo die Verbrennungsluft durch
einen Ringspalt strömt bevor sie sich mit dem Brennstoff vermischt.
Schließlich sei noch die Kühlung nuklearer Brennelemente in Form einer turbulenten
Ringspaltströmung erwähnt. Auch hier werden meist 90°-Rippen zur Kühlung ver
wendet. Die Erfindung kann hier bei gleichem Druckverlust eine höhere Wärme
übertragung erzielen.
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung finden sich in den Abb. 1 bis 5
wieder. Abb. 6 stellt ein konkretes Anwendungsbeispiel dar:
Abb. 1: Längswirbelerzeugende Rauhigkeiten nach Anspruch 1 in periodischer
Anordnung mit Periodenbreite Bp und Periodenlänge Lp bei zweiseitiger
Belegung. Da diese Rauhigkeitselemente kaum einen Einfluß auf die
gegenüberliegende Wand haben, ist auch eine einseitige Belegung
sinnvoll, sofern die Wärme nur an einer bzw. von einer Wand abgege
ben wird.
Abb. 2: Perspektivische Ansicht einer Periode der längswirbelerzeugenden
Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1,
Abb. 3: Perspektivische Ansicht einer Periode der längswirbelerzeugenden
Rauhigkeitselemente nach Anspruch 2,
Abb. 4: Perspektivische Ansicht einer Periode der längswirbelerzeugenden
Rauhigkeitselemente nach Anspruch 4,
Abb. 5: Unterschiedliche Querschnittsformen für die längswirbelerzeugenden
Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1 und 5 mit:
1 rechteckige Querschnittsform
2 dreieckige Querschnittsform
3 sinusförmige Querschnittsform
4 halbrunde Querschnittsform
5 Querschnittsform mit abgerundeten Kanten entsprechend auch Anspruch 3,
2 dreieckige Querschnittsform
3 sinusförmige Querschnittsform
4 halbrunde Querschnittsform
5 Querschnittsform mit abgerundeten Kanten entsprechend auch Anspruch 3,
Abb. 6: Ansicht einer Laufschaufel einer Gasturbine entsprechend Fig. 1 des
Patentes DE 32 48 163 mit längswirbelerzeugenden Rauhigkeiten (1) im
zweiten und dritten Kühlungsdurchlaß anstelle der dort vorgesehenen
90°-Rippen.
Claims (5)
1. Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente als schräg zur Strömungsrichtung,
sägezahnförmig unterbrochene, periodisch angeordnete, rechteckige Platten für
natürliche und/oder erzwungene Konvektion,
dadurch ausgezeichnet, daß die Platten auf ihrer Länge vorzugsweise normal auf die
Wärmeübertragungsfläche aufgebracht bzw. normal zu ihr geprägt oder druckseitig
ausgestanzt und umgebogen wurden, einen Anstellwinkel β zur Strömung zwischen
30° und 65° besitzen, eine prozentuale Höhe e/H von 2% bis 5% bezogen auf den
Abstand zur gegenüberliegenden Wand haben, eine vorzugsweise möglichst geringe
Dicke δ haben, die maximal der Größe der Plattenhöhe e entsprechen kann, einen
Periodenabstand Lp zwischen der 5- bis 15fachen Höhe der Platten e haben, eine 3- bis
6fache Länge l der Höhe der Platten e haben und quer zur Strömungsrichtung
einen gleichbleibenden Abstand s zwischen den einzelnen in Strömungsrichtung diver
gierend angeordneten Winglets haben. (Abb. 1 und 2).
2. Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1,
dadurch ausgezeichnet, daß sie abweichend zum Anspruch 1 keine rechteckige Form,
sondern eine dreieckige haben, deren Gratkante in Strömungsrichtung ansteigt. (Abb. 3).
3. Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1 und 2,
dadurch ausgezeichnet, daß sie abweichend zum Anspruch 1 und 2 abgerundete bzw.
abgeschrägte Anström- und/oder Ablösekanten haben.
4. Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1 und 2,
dadurch ausgezeichnet, daß sie abweichend zu den Ansprüchen 1 und 2 quer zur
Strömungsrichtung verbunden sind, so daß eine nicht unterbrochene sägezahnförmige
Anordnung entsteht. (Abb. 4).
5. Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente nach Anspruch 1, 2, 3 und 4,
dadurch ausgezeichnet, daß sie abweichend zu den Abb. 1 bis 4 eine dreieckige,
sinusförmige, halbrunde oder mit abgerundeten Kanten rechteckige Querschnitts
form besitzen. (Abb. 5).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995126917 DE19526917A1 (de) | 1995-07-22 | 1995-07-22 | Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente |
Applications Claiming Priority (1)
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DE1995126917 DE19526917A1 (de) | 1995-07-22 | 1995-07-22 | Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19526917A1 true DE19526917A1 (de) | 1997-01-23 |
Family
ID=7767600
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1995126917 Withdrawn DE19526917A1 (de) | 1995-07-22 | 1995-07-22 | Längswirbelerzeugende Rauhigkeitselemente |
Country Status (1)
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