DE2101204A1 - Wärmeaustauschrohr - Google Patents

Description

betreffend Wärmeau s taus chrohr.

Bekanntlich erhöht sich der Wirkungsgrad des Wärmeübergangs durch eine Wand aus Metall zu einer zum Sieden zu bringenden Flüssigkeit, wenn man auf der mit der Flüssigkeit in Berührung stehenden Wandfläche einen porösen niederschlag mit bestimmten Eigenschaften vorsieht, wie es in der U. S. A. -Patentschrift 3 3ü4 154 beschrieben ist.

Ferner ist bekannt, daß das Vorhandensein von Wellungen bei einem dünnwandigen Wärmeübertragungsrohr, durch das ein Heizmittel geleitet wird, zu einer erheblichen Steigerung des Wärmedurchgangs durch das Rohr führt.

Um einen möglichst hohen Wärmedurchgang durch Rohrmaterial zu erzielen, ist es erforderlich, den Wärmeübergang an der Innenfläche des Rohrs, die in Berührung mit der hindurchströmenden heißen Flüssigkeit kommt, und an der Außenfläche, die im vorliegenden Fall mit der zum Sieden zu bringenden Flüssigkeit in Berührung steht, getrennt zu betrachten und zu verbessern, unter Berücksichtigung dieser beiden Faktoren wurde in/ (Patentanmeldung P 17 51 423.7) bereits eine Rohrausbildung' mit sowohl inneren wie äußeren Rippen vorgeschlagen.

*/ dem Patent ....

/2

109830/1330

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dünnwandig-eg foto material mit Wellungen versehen, um einen maximalen Wärmeüber gang, von der durch das Rohrmaterial strömenden Flüssigkeit durch die Innenfläche des Rohrs hindurch zu erzielen, und die Außenfläche des Rohriaaterials ist mit einem dünnen, porösen Überzug versehen, wie er in der eingangs p-enannten U. B. A.-Patentschrift beschrieben ist, um eiren maximalen Wänaeü>ergang durch die Außenfläche des Rohrmaterial·ι zu der mit ihr in Berührung stehenden Flüssigkeit zu erzielen.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand scheiaati-joher Zeichnunxon, an Ausführungsbeispielen naher erläutert.

Fig·. 1 zei^?t perspektivisch ein glattes übertraf. "Un^srohr_o

Fig. 2 ist eine perspektivische Daratellun ■· ^rles Rohrs nach Fig. 1, das auf seiner Außenseite mi⁴·: einem norör.en niederschlag versehen worden ist.

Fi·^. 3 ist eine teilweise weg^ebrociiGn gezeichnete perspektivische Parat el lunpc eines Rohrs ähnlich dec platten Rohr nach Fig. 1, das .iedoch mit Wellungen versehen ist.

Fig. 4· ähnelt Fir. 5, zeipt' .jedoch ein We¹ !rohr, das auf seiner Außenseite mit einem porösem xliederoChlar versehen ist.

Genauer tre-ifi'- bezieht sich die Erfinrhm^ yuf auf besondere Weiße abgeäDflerte Meballrohre und ihre Ve?\.i i.'un_r~ bei Vorrichtungen zum Übertragen bzw. Austauschen von Mllrre» Insbesondere befaßt S^-1Oh die Erfindung mi^ Anordrun'-·«-:·'"!.. bei doi⁵en eine Flüssigkeit auf dei* Außenseite von Rohren aum Sieden Gebracht wird, um Wärme auf zTinehmea-bzw*· abzuführen. Ai··. Bei- · spiele für industrial.!«* Einrichtun;:en_t bei ^eneii dieses Verfahren angewendet w^lrd, seien Kühler fii'r FliisBt(!;kevi:cin .tt riannt, ferner TCesselaufwärmer, Vorsehai't?^ -'Ofiet?

BAD ORIGINAL

(head recovery boilers) uaw. Bei solchen Einrichtungen wird die Wärmebelastung durch ein durch die Rohre strömendes Fluid aufgebracht, wobei dieses Fluid fühlbare Wärme oder latente Kondensationswärme beider Arten verliert.

Bei dem erfindungsgemäßen Eohrmaterial handelt es sich praktisch um ein Eohrmaterial, bei dem eine auf bestimmte Weise geformte Wand mit einer strukturierten Oberfläche kombiniert ist, so daß das Rohrmaterial ein hervorragendes Betriebsverhalten zeigt, wenn es als Ϋ/änaeübertragungsrohr verwendet wird. Man kann das Rohrmaterial als ein glattes gezogenes Rohr betrachten, das mit einer schrauben^inienförmigen Wellung versehen ist, und dessen Außenfläche einer zusätzlichen Behandlung, z. B. durch Sintern von Metallpulver, unterzogen worden ist, so daß sie ein poröses metallisches Gefüge aufweist. Die Bedeutung dieser Auffassung geht aus der folgenden Erläuterung hervor.

Es sei angenommen, daß Wärme aus einem Fluid dadurch abgeführt vrerden soll, daß das Fluid durch ein oder mehrere Rohre aus Metall geleitet wird, wobei die Außenfläche des bzw, jedes Rohrs von einer siedenfen Flüssigkeit umgeben oder damit benetzt ist.

Pie Geschwindigkeit Q, mit der Wärme abgeführt wird, richtet sich nach der verfügbaren Wärmeübergangsfläche A, dsm wii'ksamen Temperaturunterschied AT, und dem thermischen Widerstand R des Systems; hierfür gilt nach Fourier die folgende Beziehung:

_n A Λ Τ

Bei dem thermischen Widerstand des Systems handelt ®i sieh um eine komplizierte Funktion zahlreicher Faktoren« 2u diesen Faktoren gehören

a) die physikalischen Eigenschaften des ab zukühl §&&<§ή Fluides und der siedenden Flüssigkeit,

_rl^, 109830/1330

BAD ORtGINAL

b) der hydrodynamische 8trömuns;sverlauf des Fluides,

c) der Siedemechanismus und die Hydrodynamik der siedenden Flüssigkeit sowie

d) die Merkmale des Rohrs einschließlich der Wandstärke, der Wärmeleitfähigkeit usw.

Es sei bemerkt, daß zwischen einigen dieser Faktoren eine Wechselbeziehung besteht, und daß strenge verallgemeinerte Voraussagen des gesamten Siedeverhaltens eines solchen Systems gewöhnlich nicht gemacht werden können, ohne daß bestimmte Informationen durch Versuche an dem betreffenden System oder einem Modell des Systems durchgeführt worden sind. Sobald man jedoch mit Hilfe von Versuchen einen Bezugswert festgelegt hat, ist es möglich, das Verhalten des Systems für den Fall abzuschätzen, daß bestimmte Bedingungen geändert werden.

Da es gemäß der Erfindung erwünscht ist, zur Verwendung bei Einrichtungen, bei denen eine Flüssigkeit zum Sieden gebracht werden soll, ein Rohrmaterial verbesserter Art zu schaffen, kann man einen festen Zusammenhang dadurch herstellen, daß man ein Erläuterunr^sbeispiel wählt, bei dem durch Versuche gewonnene Informationen verfügbar sind, und bei dem die geraachten Einschränkungen von solcher Art sind, daß erreicht werden kann, daß das den thermischen Widerstand R bezeichnende Glied nur den Unterschied bezüglich des Betriebsverhaltens verschiedener Probestücke von Rohrmaterial wiederspiegelt. Bei den gemäß der Erfindung durchgeführten Versuchen wurden die nachstehend genannten Größen in der angegebenen vveise gewählt und konstant gehalten:

Zu kühlendes Fluid Wasser

Temperatur des in das Rohr eintretenden Fluides 105*51« ■&

• . min* c)

Temperatur de© aus dem Rohr
austretenden Fluides 86,3*

<J016

C)

10fl30/1319 BAD ORIGINAL

Innendurchmesser des Rohrs

Mittlere Strömungsgeschwindig keit des Fluides

Wandstärke des Rohrs

Rohrwerkstoff
Siedende Flüssigkeit Siedetenroeratur

Lage des Rohrs

0,918 Zoll (23,30 mm)

2,27 Fuß/s ec (0,692 m/sec.) 0,02 Zoll
(0,508 mm) Kupfer
Kühlmittel -11 77,1?⁰ F
(25,07° G) waagrecht.

Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen erkennt man, daß das Λτ-Glied der Gleichung Q = —p~~ festgelegt ist, und -1 aß derjenige Teil des R-Gliedes, der mit den Faktoren a) und b) in Beziehung steht, ebenfalls festgelegt ist. Die Faktoren c) und d) können ir. Abhängigkeit von dem Eohrniaterial variieren, und daher kann die V/ahl des Rohrmaterials den Wert von Λ beänflussen.

Dem Konstrukteur von Siedevorrichtungen stellt sich die Aufgabe, die Größe der Fläche A zu bestimmen, die zur Erzielung einer bestimmton Kühlleistung Q erforderlich ist, wenn eine gegebene "Temperaturantriebskraft" Aq} ^uν Verfügung .steht. i)a A = -r^, isb es offensichtlich vorteilhaft, zum Verkleinern von A auf ein Minimum ein Rohrmaterial zu wählen, bei dem sich ein kleiner i/ert von R ergibt. Die Einheiten von A und R müssen in Übereinstimmung stehen; da eine Einschränkung bezüglich des Innendurchmesser;? des Rohrmaterials gemacht wurde, liegt es nahe, die Innenfläche des Rohrtnaterials als BezurTsflache au wählen, Innerhalb dieses Rahmens muß der Konstrukteur darm die Läny,e des Rohrs ermitteln, bei der sich die nöc:i.;:e Fläche or.?ib!;₄ /ic höho.v der gesamte thermische Wider·- Kf;and i-'it, de.-.Uo gi?")ß-^;;r muß die Fläche werden, und deabo gro-

■;ί;i/üc

'ünlwca ro

Arten y-ü_s ί\ο&.;: -·:_? wie

;?λϊι^·1 Ich

i·; ir»

103830/1330

BADORlG(NAi

gestellt sind, die Wirkungen der RohreIgenschaften auf den gesamten thermischen Widerstand R für den Fall berechnet, daß die weiter oben genannten Einschränkungen gelten.

Bei den betrachteten Rohren handelte es sich erstens um ein gezogenes glattes Rohr, zweitens um ein gezogenes glattes Rohr, das auf seiner Außenseite mit einem porösen Metallüberzug versehen war, drittens um ein gezogenes glattes Rohr, das mit einer schraubenlinienförmigen Wellung versehen war, und viertens um ein schraubenlinienförmig gewelltes Rohr, das auf seiner Außenseite mit einem porösen Metallüberzug versehen war.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Rohr, das zu Versuchszwecken verwendet wurde, handelte es sich um ein glattes Rohr aus DHP (dioxide high phosphorus)-tupfer mit einem Außendurchmesser von etwa 24,1 mm und einer Wandstärke von etwa 0,89 mm.

Das in Fig. 2 gezeigte glatte Rohrmaterial, das auf seiner Außenseite mit dem porösen Siedebelag (nachfolgend kurz ¹¹PBS" genannt) versehen ist, besteht ebenfalls aus DHP-Kupfer und hat einen Außendurchmesser von etwa 24,1 mm und eine Y/andstärke von etwa 0,89 mm j dieses Rohrmaterial v/ar mit einem porösen islessingüberzug mit einer Dicke von etwa 0,127 bis etwa 0,431 mm versehen. Die "PBS-Oberflache" war entsprechend der eingangs genannten U. S. A.-Patentschrift hergestellt.

Bei dem Wellrohr nach Fig. 3 handelt es sich im wesentlichen um das glatte .Rohr nach Fig. 1, das jedoch mit einer schraubenlinienförmigen Wej-lung versehen ist. Daa Rohrmaterial weist eine eingängige ΐ/ellung mit einer Ganghöhe von 6,35 mm und einer Tiefe von 0,794 mm auf. Der zwischen den Ochciteln dar föllungen gemessene Außendurchmesser dea Hohx*materialö betrug et#a 24,I mm und die Wandstärke etwa 0,89 mra.

itei dom in i?'i_r:. 4 gezeigten Rohrmaterial guiaäS der ErJLndunr? u^eltilt Θ8 ti Ich v. ■> ei an Wellrohr nach L»\Lg.3, ·^ΛΤ' ledooü mit .'.ii.^r "t'B3-0bi äi!l4c.! j" aas poröaem Messing mit elnsr V

1uii83.0y.1330-.

BAD ORIGINAL

von 0,127 "bis 0,4.1)1 mm versehen ist; dieser Überzug ist p-em^ß der erwähnten U. o. Ao-Patentschrift hergestellt.

Es wurden Wärroeübergangsuntersuchun^en durchgeführt, um die "übertragung von Wärme von der durch das Ruhr strömenden hei 3^n Flüssigkeit zu der die Außenfläche des Rohrs berührenden Flüssigkeit ?u ermitteln, und der thermische Widerstand der von verschiedenen in den. Zeichnungen dargestellten Arten vo·¹! F-Oiiritaterialien wurde berechnet.

Bei dem glatten Rohr nach Fig. 1 ergab sich für den thermischen Widerstand ein Zahlenwert von 0,006548, der den irehrvzert des gesamten Wärmedurchgangs in britischen Warneeinheiten je Stunde, je i-vuadratfuß und je Grad F repräsentiert. Bei diesem Widerstandswert handelt es sich um den eingangs genannten Bezugswert, mit dem die übrigen Zahlenwerte des thermischen Widerstandes verglichen werden, und der zu diesem Zweck mit 100% angesetzt wird.

Bei dem Rohrmaterial nach Fig« 2, bei dem® sich um das glatte Rohr nach Fig. 1 handelt, das auf seiner Außenseite mit cem "PBo-tJberzug" versehen ist, ergibt sich für den thermischen Widerstand e,in Zahlenwert von 0,001790 der 27% des für das glatte. Rohr geltenden Wertes entspricht.

Bei dem Rohrmaterial nach Fig. 3, bei dem es sich im wesentlichen um das glatte Rohr nach Fig. 1 handelt, das jedoch gewellt ist, ergab sich ein thermischer Widerstand, dessen ^ahlenwert 0,0044-77 beträgt bzw. 68% des thermischen Widerstandes des glatten Rohrmaterials nach Fig. 1 entspricht.

Für das erfindunr';sgemäße Rohrmaterial, bei dem es sich in wesentlichen um das platte Rohrmaterial nach Fig. 1 handelt, das jedoch gemäß Fig. 3 gewellt und gemäß Fig. 4 auf seiner Außenseite mit einem "PBS-Überzug" versehen ist, er* gab sich ein Wärmeübergangswiderstand, dessen Zahlenwert . 0,000726 betrug und somit nur 11% des thermischen Widerstandes des platten Ttohrmaterials entsprach.

109030/1330

Somit ist das Betriebsverhalten des erfinduncsgemäßen gewellten und mit einem "PBS-Überzug" versehenen Rohrmaterials erheblich besser als dasjenige der Wärmeaustauschrohre nach Fig. 2 und 3j und die erzielte Verbesserung ist offenbar darauf zurückzuführen, daß der gesamte Wärmedurchgang durch das Rohrmaterial getrennt durch die Vorgänge beeinflußt wird, die sich an der Innenfläche und der Außenfläche des Rohrmaterials abspielen. Mit anderen Worten, es könnte sich eine Situation ergeben, bei der die Außenfläche des Rohrs so modifiziert ist, daß sie einen Wärmeübergang in einem Ausmaß bewirkt, das weit über die Fähigkeit der Innenfläche, Wärme von. der Flüssigkeit in dem Rohr zu dem Metall innerhalb der Rohrwand zu übertragen, hinaus geht. Entsprechend könnte eine Modifizierung" der Ihnen— und Außenflächen des Rohrmaterials zu einer Anordnung führen, bei der die Fähigkeit der Innenfläche des Rohrmaterials, Wärme zu übertragen, erheblich größer* ist, als die !Fähigkeit der Außenfläche des Rohrmaterials, Wärme vom Metall etes Rohrmaterials zu der das Rohr umgebenden Flüssigkeit zu übertragen« Die Erfindung sieht somit eine sehr zweckmäßige Anordnung vor.

Zwar könnte die Form des Rohrmaterials im Vergleich zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel erheblich abgeändert v/erden, doch ist die Erfindung insbesondere bei dünnwandigem Rohrmaterial anwendbar, des eine Wandstärke von 0,51 bis 1,27 mm hat, und bei dem der zwischen den Scheiteln der Wellungen vor dem Aufbringen des "PBS-Materials" gemessene Außendurchmesser 6,35 bis 31,75 ™a beträgt. vVenn optimale Ergebnisse erzielt v/erden sollen, muß die i/ellunß· so ausgebildet sein, daß der axiale Abstand zwischen benachbarten Y/indun;-en 3,175 bis 9,525 mm beträft; hierbei sol] die Tiefe der V.'ell^ni?cn, die sich zwir in einnm gewissen Aiu-maß nach dem Hoardui.".''.--no -,rav j'iclr,. 1., O,;^r:'^: ti ^ 1,1°/] irri \;--iiei>;en. Die W< I¹Ii₁; < ■■· - ri j- ,->! -t :;i-;i v~ δτ>~- r"'^e 1"'»η·ν <-in'?"·- ' In'^iii ■ ι'( }] ,3ο· ■ ¹^-' '.'/•ir, α )·;!■> Jp atf τ.·η · "κ·?¹ 1 ι (; ^: .·ν ir j*· ',<· 1 Inn ;c;i c.1< r .- ■

TUaOJO/1J3Ü

BAD ORIGINAL

21012OA

ige scaraubenlinienförmige Wellung-en vorsehen. In jedem Fall sollen sich, die Windungen der Wellung allgemein in der Umfangsrichtung des Rohrmaterials tind nicnt in axialer Richerstrecken.

Ans£rLic_he:

1Ü9830/1330

BAD ORIGiNAi

Claims (1)

1. ANSPRÜCHE

   Metall hergestelltes Wärmeaustaxischrohr zum Leiten von einer -durch das Rohr strömenden Flüssigkeit zii einer in Berührung mit der Außenfläche des Rohrs stehenden Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr auf seiner Innenseite mit einer Folge von allgemein in der Umfangsrichtung verlaufenden und nach innen vorspringenden Wellungen bzw. Windungen verseilen ist, die so bemessen sind, daß sie den Wärmeübergang von der durch das Rohr strömenden Flüssigkeit über die Innenfläche des Rohrs zum Metall der Rohrwand vergrößern, und daß das Rohr auf seiner Außenseite mit einem lückenlosen Überzug aus einem porösen metallischen Werkstoff versehen ist, der geeignet ist, den Wärmeübergang von dem Metall der Rohrwand durch, den überzug hindurch zu der mit dem porösen metallischen Überzu? in Berührung stehenden Flüssigkeit zu stei_fTern.

   2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzei ohne t , daß das Rohr dünnwandig ist und seine Wandstärke 0,508 bia 1,27 mm beträgt.

   3· Rohr nach Anspruch 2, dadurch

   gekennzeich

   net, daß das Rohr srewellt ist und auf seiner Außenseite in der Umfangsrichtung verlaufende, nach außen ragende Wellurv;en bzw. Windungen aufweist, die in Fluchtung mit den Lücken zwischen den nach inx'.en ratenden Wellun :en auf der Innenseite des Rohrs angeordnet sind.

   4. Rohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die iellunren schraubenlinienförmig sind.

   5. Rohr nach Ansoruch 3, dadurch g e k e η η ζ ο i e hn e t , daß die Wellung als eingängige schraubenlinienf öz·- mi-'e w'ellung ausgebildet itst,

   10 9830/1330

   BAD

   6o Rohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeie fc— net, daß der Außendurclimesser des Rohrs 6,35 bis jl,?5 «s beträgt.

   7· Rohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nach innen ragenden Wellungen eise Höhe von 0,397 bis 1,191 mm haben.

   8» Rohr nach Anspruch 6, dadurch g e kennzeichnet , daß bei der nach innen ragenden Wellung der axiale Abstand zwischen benachbarten Windungen 3,175 ^is 9,525 mm beträgt.

   9· Rohr nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Wellung als eingängige schraubenlinienförmige Wellun? ausgebildet ist, bei der die Höhe der Windungen" 0,397 ^is 1,191 tnm beträgt.

   10. Rohr nach Anspruch 9_t dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe der scliraubenlinienfor— τηΐκβη V/ellung 3?175 bis 9,525 mm beträgt.

   10 9 8 3 0/1330

   ÖAB ORlQINAi.

   Leerseite