DE2049310A1

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Info

Publication number: DE2049310A1
Application number: DE19702049310
Authority: DE
Inventors: Benoit Joseph East Bruns wick. NJ Sirois (V St A )
Original assignee: Phelps Dodge Copper Products Corp
Current assignee: Phelps Dodge Copper Products Corp
Priority date: 1969-10-08
Filing date: 1970-10-07
Publication date: 1971-04-22
Also published as: FR2064211B1; SE368617B; GB1250870A; FR2064211A1; IL35479A; IL35479A0

Description

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TEL. 0311 - 762907 . TELFGR. PROPINDUS TELEX 0184057 TEL. 0811 -225585 · TELEGR. PROPINDUS · Tf U.< .1,..'1.'Il

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PHELPS DODGJS COPPER PRODUCTS CORPORATION
New York,.. N. Y. / USA

Wärmetauscherrohr

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherrohr mit wenigstens einer spiralförmig längs der Rohrwand verlaufenden Wulst
mit Seitenkanten, die durch von der Aussenseite des Rohres erfolgenden Vertiefungen bestimmt werden und die so gebildete Wulst, bezogen auf einen Längsschnitt durch die Rohrwandung, zwischen den Seitenkanten radial nach ausien ragt und ihren Scheitelpunkt am gi'össten herausragenden Radius
hat,

Bei der Konstruktion von Wärmetauschern ist es wichtig,
eine maximale Wärmeübertragung der Volumeneinheit zu erreichen, während ein Druckabfall so weit wie mögLich verhindert werden soll· Dies ist insbesondere bei. der Verwendung von mit Rohron bestückten Verdampfex^%ii zutreffend)

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beispielsweise bei Entspannungsverdampfem für die Entsalzung von Seewasser. In sogenannten Langrohr-Vertikalverdampfern sind die Anforderungen an die Pumpenverhältnisse von geringerer Bedeutung, während die Förderung einer maximalen Wärmeübertragung von primärer Bedeutung ist.

Ein Versuch, die gesamte Wärmeübertragung in mit Rohren bestückten Vardampf ern zu verbessern, besteht darin, dass der wasserseitige Wärmeübertragungskoeffizient durch die Verwendung von Rohren mit kleinem Durchmesser erhöht wird, um dadurch eine relativ grosse Wärmeübertragungsfläche der Volumeneinheit des Wärmetauschers zu erreichen. Hierbei ist jedoch praktisch eine Grenze durch die kleinste Grosse der verwendbaren Rohre gesetzt. Darüber hinaus erhöhen sich, obwohl eine erhöhte Wassergeschwindigkeit in den Rohren den Wärmeübertragungskoeffizienten verbessert, die Pumpenkosten mit höheren Geschwindigkeiten enorm. Höhere Geschwindigkeit führt ebenfalls zu Problemen hinsichtlich der Erosion.

Es ist weiter bekannt, dass das Erhöhen der Turbulenzen in dem Wasser, welches durch die Wärmetauscherrohre strömt, den wasserseitigen Wärmeübertragungskoeffizienten erhöht. Verschiedene Massnahmen wurden für diesen Zweck angewendet und führten zu den sogenannten "günstigeren" Wärmetauscherrohren, im Falle von Rohren mit glatten Oberflächen kann die Turbulenz beispielsweise erhöht werden, indem verdrehte Bänder oder spiralförmig gewundene Drähte in dies© eingesetzt werden. Diese Rohre sind jedoch entweder zu teuer in der Herstellung und Unterhaltung oder zu unwirksam hinsichtlich, des, Druckabfalles oder hinsichtlich beider erwähnten Faktoren.

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Es wurde ebenfalls vorgeschlagen, die Turbulenzen in der Strömung durch das Rohr zu erhöhen und die Wärmeübertragungskoeffizienten durch Wellen der Rohrwand
in bekannter Weise zu verbessern, wobei die einzelnen Wellen symmetrischen Querschnitt aufweisen, demzufolge, bezogen auf einen Längsschnitt des Rohres, jede Welle gleichmässig von seinen sich gegenüberliegenden Randbereichen gewölbt ist» Verbesserte Wärmetauscherrohre dieses gewellten Typs bringen tatsächlich Vorteile,
lassen jedoch hinsichtlich der Maxxmalturbulenzen und des Druckabfalls zu wünschen übrig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wärmetauscherrohr mit wesentlich verbessertem Wirkungsgrad vorzusehen.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich für das eingangs beschriebene Wärmetauscherrohr dadurch, dass der Scheitelpunkt der Wulst, bezogen auf eine senkrecht zur Rohrachse verlaufende und in der Mitte zwischen den Seitenkanten verlaufende Ebene, um einen
wesentlichen Betrag in einer Richtung der Mittelachse versetzt ist und die Wulst an der Innenseite des Rohres eine entsprechende Rinne bildet, deren grösste
Tiefe sich radial mit dem Scheitelpunkt der Wulst
deckt Und somit gleich diesem zur Längsachse des Rohres versetzt ist.

Es hat sich ergeben, dass diese Art der Wärmetauscherrohre eine wesentliche Verbesserung hinsichtlich ihres Wirkungsgrades bringt, wenn sich die Wellen spiralförmig und radial auswärts des Rohres zu einem Scheitelpunkt erstrecken, wobei die jeweilige Wulst als asymme-

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trisch zu bezeichnen ist und an der Innenseite der Rohrwand eine entsprechende Rinne bildet, wodurch beim Durchströmen einer Flüssigkeit durch das Rohr in der erwähnten einen Richtung wesentlich grössere Turbulenzen erzeugt werden, als bei der Verwendung von üblichen gewellten Rohren, wobei sich der Strömungswiderstand oder der Druckabfall unwesentlich erhöht.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemässe Wärmetauscherrohr mit einer Vielzahl von Wulsten versehen, die sich spiralförmig um das Rohr, parallel zueinander in dessen Längsrichtung erstrecken und deren betreffenden Scheitelpunkte und tiefsten Rinnenradien in der gleichen Richtung versetzt sind, wie es vorstehend beschrieben wurde» Gleichfalls ist. das Rohr vorzugsweise mit glatten zylindrischen Rohrlängen an seinen sich gegenüberliegenden Enden versehen, so dass diese Enden wirksam innerhalb des Wärmetauschers abgedichtet werden können und eine gleichartige glatte Rohrlänge kann zwischen den Rohrenden vorgesehen sein, um ein wirksames Abdichten an zwischen Boden oder Prallblechen des Wärmetauschers zu gewährleisten.

Das erfindungsgemässe Wärmetauscherrohr ist ebenfalls besonders geeignet für die Verwendung in vertikalen Rohrverdampfern, welche nach dem System eines mehrfach wirksamen fallenden Films arbeiten, wobei ein«-dünne Lage oder ein Film aus Flüssigkeit, welche verdampft werden soll, längs der Innenwand jedes Rohres in jeder Stufe verläuft und durch kondensierenden Dampf an der Aussenseite des Rohres erwärmt wird. In solchen Fällen

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ist der Scheitelpunkt der äusseren Wölbungen jeder spiralförmigen Wulst und die grösste Tiefe der entsprechenden inneren Rinnen nach unten, bezogen auf die vorher erwähnte Ebene, welche senkrecht zur Rohrachse verläuft und in der Mitte zwischen den Seitenkanten der Wulst angeordnet ist, versetzt. Auf diese Weise bewirkt das erfindungsgemässe Wärmetauscherrohr alle Vorteile eines bekannten gewellten Rohres, erhöht jedoch die Turbulenzen wesentlich, ohne den Druckabfall ungebührlich zu steigern·

Aus den vorstehenden Erläuterungen geht hervor, dass, falls die Strömung durch das asymmetrisch gewellte Rohr in einer Richtung entgegen der Richtung der vorerwähnten Versetzung zur Bezugsebene verläuft, die Turbulenzen im Vergleich zu einem bekannten gewellten Rohr verringert werden. Demzufolge weist das neue Wärmetauscherrohr den weiteren Vorteil auf, dass es entweder für das Steigern oder für das Verringern der Strömungsturbulenzen verwendet werden kann, was von der Strömungsrichtung durch das Rohr abhängig ist·

In den beiliegenden Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemässe Wärmetauscherrohr schematisch dargestellt, welches anhand der nachstehenden Beschreibung im einzelnen erläutert wird» Es zeigt:

Fig· 1 eine teilweise ausgebrochene Ansicht des erfindungsgemässen Wärmetauscherrohrs,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch einen Teil eines Wärmetauschers, welcher mit dem erfindungsgetnässen Wärmetauscherrohr versehen ist,

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Fig. 2A eine übertriebene Teilaiisicht eines Teile einer Rohrwand gemäss Fig. 1 und 2 im Schnitt, wobei die Form der Rohrwand bekannter Rohre in gestrichelten Linien zum Zwecke der Vergleichsmöglichkeit dargestellt ist,

Fig. 3 eine Ansicht eines erfindungsgemässen Rohrs, welches glatte Rohrlängen für die Abdichtungen aufweist.

Das Wärmetauscherrohr 10 in Fig. 1 weist eine Anzahl von Wulsten 11 auf, welche sich spiralförmig und Seite an Seite in der Rohrwand erstrecken. Die sich gegenüberliegenden Seitenkanten 12 jeder Wulst sind durch entsprechende Prägungen in der Aussenfläche der Rohrwand verursacht und ziehen sich spiralförmig über eine .vorbestimmte Länge des Rohres um dieses herum. Jede Wulst 11 ragt radial nach aussen aus der Rohrwand heraus und bildet entsprechende Rinnen 11a an der Innenseite des Rohres.

Wie aus Fig. 2A und dem unteren Teil der Fig. 1 zu erkennen ist, in denen ein Schnitt durch die Rohrwand dargestellt ist, wölbt sich ,jede der Wulste von den Seitenkanten 12 bis zu einem Scheitelpunkt 13 radial nach aussen, wobei der Scheitelpunkt auf dem grossten Radius der Rohrachse A liegt. Dieser Scheitelpunkt 13 ist radial mit der grossten Tiefe der entsprechenden inneren Rinne 11a ausgerichtet und um einen wesentlichen Betrag in einer Richtung längs des Rohres von einer Ebene M, welche senkrecht zur Rohrachse und in der Mitte zwischen den sich gegenüberliegenden Seitenrändern 12 angeordnet ist. In dem dargestellten Rohr

gemäss Fig. 1 ist die Versetzung Jedes Scheitelpunkts 13i verglichen mit dem Scheitelpunkt 13A eines bekannten spiralförmig gewölbten Rohres, bezogen auf die entsprechende Mittelebene M, nach unten erfolgt.

Mit dieser Konstruktion, vorausgesetzt dass die Flüssigkeit in Richtung der Versetzung der Scheitelpunkte 13 von der jeweiligen Mittelebene M durch das Rohr gerichtet ist, also abwärts, verursacht das Rohr eine grössere Turbulenz in solcher Strömung als in den Fällen, in denen die Wulste symmetrisch ausgebildet sind, wie es in bekannten gewellten Rohren der Fall ist. Darüber hinaus erhöht oder verringert die Wulst 11 mit ihrer asymmetrischen Ausbildung die Turbulenz der Strömung durch das Rohr wesentlich, je nach Strömungsrichtung, ohne dass eine wesentliche Beeinflussung des Strömungswiderstandes erfolgt.

Das in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemässe Rohr 10 ist senkrecht in einer Stufe eines Verdampfers eines sogenannten "mehrfach wirkenden fallenden Filmtyps" für die Entsalzung von Seewasser angeordnet. Seewasser aus einer vorhergehenden nicht gezeigten Stufe wird in einen Behälter 15 gefördert, welcher das Rohr 10 an seinem oberen Ende umgibt und strömt von dort in einen ringförmigen Verteiler 16 in das Rohr ein. Durch den Verteiler 16 ergibt sich eine dünne Lage oder ein Film 17 von Flüssigkeit, welche längs der Innenseite des Rohres strömt. Gleichzeitig tritt ein Strom von aus der vorherigen Stufe kommenden Dämpfen, welche demzufolge einen relativ geringen Salzgehalt aufweisen, in das obere Ende des Rohres 10 innerhalb des Verteilers 16

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ein und strömt nach unten, während der fallende Film 17 diese Dämpfe umgibt, wie es mittels der Pfeile angedeutet ist. Das Rohr 10 wird von aussen durch Dampf beheizt, welcher von einer vorhergehenden Stufe zur Heizkammer 18 geführt wird, die das Rohr umgibt* Der Dampf kondensiert an der Aussenwand des Rohres und heizt dabei den herabgleitenden Film 17 auf, um das Yasser aus diesem zu verdampfen. Die so entwickelten Dämpfe vereinigen sich mit den Dämpfen, welche innerhalb des ringförmigen Films 17 nach unten strömen und werden vom Boden des Rohres 10 der nächsten Stufe, nicht dargestellt, zugeführt.

Infolgedessen wird der salzhaltige Film 17» wenn er längs der spiralförmigen gerillten inneren Fläche des Rohres 10 nach unten strömt, hinsichtlich seines Salzgehalts infolge der Verdampfung konzentriert. Andererseits sind die aus dem Boden des Rohres austretenden Dämpfe relativ frei von Salz*

Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, weist das Rohr 10 einen Scheitelpunkt 13 jeder Wulst auf, und demzufolge eine grösste Tiefe der entsprechenden inneren Rinne 11a, der nach unten von der entsprechenden Mittelebene M zwischen den Seitenkanten der Wulst (Fig* 1) versetzt ist. Demzufolge ist der nach unten strömende Film 17 wesentlich erhöhten Turbulenzen ausgesetzt, wobei das Erwärmen des Films und der Verdampfungseffekt gesteigert werden. ?<

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In Fig, 3 ist das erfindungagemässe Rohr 10 gezeigt, welches glatte Rohrlängen 20 an seinen Enden aufweist und eine ebenfalls glatte Rohrlänge 21, welche die spiralförmigen Wulste 11 unterbricht. Die Rohrlängen

20 ermöglichen es, die Rohrenden in üblichen Rohrböden des Wärmetauschers einzuwalzen und die Rohrlänge

21 erlaubt eine wirksame Abdichtung in Zwischenstufenböden von mehrstufigen Einheiten,

Die verbesserten Wärmetauscherrohre entsprechend der Erfindung können aus Jedem dehnbarem eisenhaltigem oder nichteisenhaltigem Metall hergestellt werden, doch sind Kupfermetalle mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorzuziehen. Die Rohre können Aussendurchinesser von etwa 13 mm bis 12,5 mm aufweisen und die Anzahl der spiralförmigen Wulste 11 an jedem Rohr kann verschieden sein» Beispielsweise kann ein solches Rohr mit nur einer Wulst oder mit 36 spiralförmigen Wulsten entsprechend dem grösseren Durchmesser des Rohres versehen werden» Ebenfalls kann die Tiefe wie auch die Steigung der Wölbungen variiert werden, um bestimmte Anforderungen zu erfüllen.

Im Falle der mehrstufigen Verdampfer ist die Verbesserung der Wärmeübertragung auf die erhöhte Turbulenz im Flüssigkeitsstrom innerhalb des Rohre-s sowie auf die verbesserte film-artige Kondensation an der Aussenseite desselben zurückzuführen. Bei der Verwendung in Verdampfern des vertikalen Langrohrtyp» oder des mehrfach wirkenden fallenden Filmtyps verbessern die neuen Rohre die Wärmeübertragung durch das Vorhandensein von

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querverlaufendem Temperaturgefälle an den ungleichmässig gewölbten Flächen der spiralförmigen, asymmetrischen Wulste, wobei die Flüssigkeit veranlasst wird, vorzugsweise in den Rinnen zu strömen und dort ausgedünnt wird, wo die Verdampfung stattfindet. Das neue Wärmetauscherrohr hat demzufolge einen verbesserten Wärmeübertragungskoeffizienten, welcher 1,5- bis 2,5-fach den Wärmeübertragungskoeffizienten eines glatten, runden Rohres aus gleichem Metall und mit den gleichen allgemeinen Abmessungen übersteigt.

Das neue Wärmetauscherrohr kann dadurch hergestellt werden, dass ein glattes, rundes Rohr durch einen spiralförmig verlaufenden Prägevorgang bearbeitet wird, bei dem die vorbeschriebene versetzte oder asymmetrische Form von Wulsten in einer geeigneten Weise erreicht wird, beispielsweise durch die Verwendung eines entsprechend geformten Well-Werkzeugs, Vorzugsweise jedoch wird das Rohr in einer Maschine gewellt, in welcher das Rohr durch einen rotierenden Kopf vorgeschoben wird, während Prägerollen, die der Kopf trägt, an die Peripherie desselben angreifen, wobei jedoch die Winkeleinstellung der Rollen so ist, dass sie nicht mit der theoretischen spiralförmigen Bahn übereinstimmen, welche durch die Geschwindigkeit des vorgeschobenen Rohres im Verhältnis zu der Rotationsgeschwindigkeit des Kopfes bestimmt wird. Diese Fehlausrichtung verursacht ein ' Fressen der Rollen, welche zu den Wulsten mit versetzten Scheitelpunkten führt, wie sie vorher beschrieben wurden.

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In Zusammenheing mit Fig. 2, welche die Verwendung eines erfindungsgemässen Wärmetauscherrohres in einem Verdampfer des mehrfach wirksamen fallenden Pilmtyps zeigt, ist der Verdampfer nur zum Teil dargestellt und zusammengefasst beschrieben, da Verdampfer dieser Art bekannt sind, beispielsweise durch eine Veröffentlichung mit dem Titel "Advances in Vertical Tube Plants for Sea Water Distillation" von David D. Kays of Steams-Roger Corporation, Denver, Colorado und durch das Western Water and Power Symposium am 8. und 9. April I968 in Los Angeles, Kalifornien·

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Claims

Patentansprüche

1.j Wärmetauscherrohr mit wenigstens einer spiralförmig längs der Rohrwand verlaufenden Wulst mit Seitenkanten, die durch von der Aussenseite des Rohres erfolgenden Vertiefungen bestimmt werden und die so gebildete

Wulst, bezogen auf einen Längsschnitt durch die Rohrwandung, zwischen den Seitenkanten radial nach aussen ragt und ihren Scheitelpunkt am grössten herausragenden Radius hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Scheitelpunkt (13) der Wulst (11), bezogen auf eine senkrecht zur Rohrachse (A) verlaufende und in der Mitte zwischen den Seitenkanten verlaufende Ebene (M), um einen wesentlichen Betrag in einer Richtung der Mittelachse versetzt ist und die Wulst an der Innenseite des Rohres (1O) eine entsprechende Rinne (I1a) bildet, deren grösste Tiefe sich radial mit dem Scheitelpunkt der Wulst deckt und somit gleich diesem zur Längsachse des Rohres versetzt ist.

2. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wulst (11) von den beiden Seitenkanten aus bogenförmig nach aussen gewölbt ist.

3· Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der iinen Wulst wenigstens eine weitere, parallel zur ersten spiralförmig verlaufende Wulst zugeordnet ist.

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4. Wärmetauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrenden glatte Rohrlängen (20) aufweisen,- zwischen denen die Wulste (11) liegen»

5. Wärmetauscherrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wulst (11) durch eine glatte Rohrlänge (21) unterbrochen ist.

6. Wärmetauscherrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diesem Einrichtungen (.16) zum Einleiten einer zu verdampfenden Flüssigkeit in das Rohr für das Durchströmen in einer Richtung zugeordnet sind.

7. Wärmetauscherrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich dieses senkrecht erstreckt, die Scheitelpunkte der Wulst und grosste Tiefen der Rinnen zur Ebene (M) versetzt und die Einrichtungen zum Einleiten der Flüssigkeit einen Verteiler zum Formen eines an der Innenwand des Rohres ablaufenden Flüssigkeits-(I?,) aufweisen.

8, Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen den einzelnen Wulsten jeweils eine dem normalen Rohrumfang entsprechend gewölbte Rohrwandung befindet.

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