DE2102744A1

DE2102744A1 - Heat exchanger - with flattened oval heat transfer tubes

Info

Publication number: DE2102744A1
Application number: DE19712102744
Authority: DE
Inventors: Sun-Ho Dipl.-Ing. 6000 Frankfurt Kim
Original assignee: FRITZ VOLTZ SOHN
Current assignee: FRITZ VOLTZ SOHN
Priority date: 1971-01-21
Filing date: 1971-01-21
Publication date: 1972-08-03

Abstract

The oval heat transfer tube has an axis ratio of 1-1.3 to 1-15, with the minor axis being is not 2 mm and major axis is not >150 mm. The tube bundle is either circular in cross section and build up into a shell when the space between the tubes is filled forming a flat tube plate or the tubes are built up in rows fixed into the tube plates at either end. The tubes are arranged with the flat side parallel and are held in position with bolts acting as distance pieces. Alternatively the tubes are welded together at the narrow end forming rows of tubes. Flat bars are inserted at right angles to the tubes forming distance pieces and baffles. The tubes are not or cold drawn and closed by welding in the middle of one flat side. The heat exchanger is easy to clean and has a low pressure loss.

Description

PATENTANWALT DR.-ING. LOTTERHOSPATENT ADVOCATE DR.-ING. LOTTERHOS

ANNASTRASSE 19 FERNSPRECHER: (0611) 5550(51 TELEGRAMME! LOMOSAPATENT LANDESZENTRALBANK 500 07149 POSTSCHECK-KONTO FFM. 1(567ANNASTRASSE 19 TELEPHONE: (0611) 5550 (51 TELEGRAMS! LOMOSAPATENT LANDESZENTRALBANK 500 07149 POSTSCHECK ACCOUNT FFM. 1 (567

V/ho 5643 FRANKFÜRT (MAIN), 20.Jan. 1971V / ho 5643 FRANKFÜRT (MAIN), Jan 20. 1971

Pinna Fritz Voltz Sohn,Pinna Fritz Voltz son,

6 Frankfurt (Main) 90, Solmsstrasse 566 Frankfurt (Main) 90, Solmsstrasse 56

WärmeaustauscherHeat exchanger

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher, in welchem mittelbar von einem Medium auf ein anderes Wärme übertragen wird, und betrifft die Ausbildung und Anordnung der die Austauschflächen bildenden Wärmeübertragungselemente im Wärmeaustauscher. The invention relates to a heat exchanger in which heat is transferred indirectly from one medium to another and relates to the design and arrangement of the heat transfer elements forming the exchange surfaces in the heat exchanger.

Zur Erwärmung, Erhitzung, Verdampfung oder auch andererseits zur Kühlung von Medien Wärme auszutauschen und sich dabei beispielsweise kontinuierlich arbeitender Wärmeaustauscher zu bedienen, bei welchen die austauschenden Medien voneinandergetrennt geführt werden, ist bekannt. Als Wärmeübertragungselemente, die die Trenn- bzw. Austauschflächen aufweisen bzw. bilden, wurden dabei Rohre in sogenannten Rohrbündel-Wärmeaustauschern und platten- oder lamellenförmige Teile in sogenannten Platten- oder Lamellenwärmeaustauschern angewendet.For warming, heating, evaporation or, on the other hand, for cooling media, exchanging heat and doing so, for example to operate continuously operating heat exchangers, in which the exchanging media are separated from each other is well known. As heat transfer elements that have or form the separation or exchange surfaces, were tubes in so-called tube bundle heat exchangers and plate or lamellar parts in so-called Plate or lamellar heat exchangers are used.

Von Wärmeaustauschern wird im allgemeinen in erster Linie erwartet, dass sie hohe Wärmedurchgangszahlen aufweisen und dabei möglichst kompakt und kleindimensioniert gebaut sind. Darüber .hinaus wird erwartet, dass eine Reinigungs- und Austauschmöglichkeit nicht nur gegeben ist, sondern auch auf einfache und leichte Weise wahrgenommen werden kann.In general, heat exchangers are primarily expected to that they have high heat transfer coefficients and at the same time are built as compact and small as possible. In addition, it is expected that a cleaning and replacement option is not only given, but can also be perceived in a simple and easy way.

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Ziel der Erfindung ist es einen Wärmeaustauscher zu entwickeln, der diese dargelegten Erfordernisse in vollem Hasse erfüllt und • zusätzlich eine stabile und widerstandsfähige Ausbildung und Anordnung der Wärmeübertragungselemente aufweist, wobei besonders auf eine einfache und kostenarme Herstellungsweise von zu einem leicht zu reinigenden, leicht austauschbaren Rohrblock zusammenfassbaren Wärmeübertragungselementen zu achten ist.The aim of the invention is to develop a heat exchanger which fully meets these stated requirements and • additionally has a stable and resistant design and arrangement of the heat transfer elements, with particular in a simple and inexpensive way of manufacturing which can be combined into an easy-to-clean, easily replaceable pipe block Heat transfer elements must be observed.

Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, dass der Wärmeaustauscher im Querschnitt flachovale Bohre als Wärmeübertragungselemente aufweist, wobei das Längenverhältnis der kurzen zu der langen Querachse im Bereich von 1 : 1,3 bis 1 : 15 liegt. Aus Gründen der Festigkeit und der Fertigung der flachovalen Bohre soll die Längenausdehnung der kurzen Querachse nicht kleiner als 2 mm, di» der langen Querachse nicht grosser als 150 mm sein. Durch diese Werte ist ein eingegrenzter bestimmter Bereich abgesteckt, innerhalb dessen eine spezielle Zwecke und Umstände berücksichtigende Variation der flachovalen Form nach der Erfindung gegeben ist. Durch diese Querschnittsform wird eine höhere Wärmeübergangs zahl erreicht, da diese bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit um so grosser wird, je kleiner das Verhältnis von Rohrquerschnittsfläche und Umfang des Strömungsquerschnitts, also des hydraulischen Durchmessers, der flachovalen Rohre wird.This is achieved according to the invention in that the heat exchanger has flat oval bores in cross section as heat transfer elements, the length ratio of the short to the long transverse axis is in the range from 1: 1.3 to 1:15. For reasons of strength and the production of the flat oval drill the length of the short transverse axis should not be less than 2 mm, that is, the long transverse axis should not be greater than 150 mm. These values define a limited, specific area within which a specific purpose and circumstances are taken into account Variation of the flat oval shape according to the invention is given. This cross-sectional shape results in a higher Heat transfer number achieved, since this is the greater at a given flow rate, the smaller the ratio of Pipe cross-sectional area and circumference of the flow cross-section, i.e. the hydraulic diameter, of the flat-oval pipes.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Bohre an oder in der Nähe ihrer Enden durch an ihrem Umfang aufgetragenes Material einen flächigen Abschluss bildend miteinander verbunden sind.One embodiment of the invention consists in the fact that the drilling is carried out at or near its ends by means of a Material are connected to one another to form a flat closure.

Eine weitere zweckmässige Ausgestaltung des Wärmeaustauschers gemäss der Erfindung ist dadurch gegeben, dass zwischen zwei Rohrreihen Bolzen oder Distanzleisten angeordnet sind, die den Querschnitt des Wärmeaustauschers an dieser Stelle teilweise durch-setzen.Another useful embodiment of the heat exchanger according to the invention is given that between two Rows of tubes or bolts or spacer strips are arranged, which partially cover the cross section of the heat exchanger at this point push through.

Durch die Ausbildung und Anordnung der Distanzstücke, seien es Distanzbolzen oder Distanzleisten, wird der Abstand zwischen den aus einzelnen Flachovalrohren gebildeten Rohrreihen festgelegt und dadurch die Geschwindigkeit des an und zwischen den Bohren bzw. den Rohrreihen strömenden Mediums bestimmt und im FalleThrough the design and arrangement of the spacers, be it spacer bolts or spacer bars, the distance between the Set of rows of tubes formed from individual flat oval tubes and thereby determines the speed of the medium flowing on and between the bores or the rows of pipes and in the event

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einer gezielten Anordnung von Distanzleisten auch im Vergleich zu deSichtung des in den Flachovalrohren strömenden Mediums im Quer- und/oder Gegenstrom geleitet. Für die Strömungsgeschwindigkeit ausserhalb der Flachovalrohre ist auf die Wärmeübergangszahl von Einfluss einmal die Höhe der Distanzstücke und zum anderen die Abstände zwischen den Distanzstücken.a targeted arrangement of spacer bars also in comparison to deSicht the medium flowing in the flat oval tubes in cross and / or countercurrent. For the flow rate Outside the flat oval tubes, the heat transfer coefficient is influenced on the one hand by the height of the spacers and on the other the distances between the spacers.

Wärmeaustauscher mit Flackovalrohren mit einem Längenverhältnis der kurzen zu der langen Querachse im Bereich von 1 : 1,3 bis 1 : 15 ³^-S Wärmeübertragungselemente haben gegenüber den herkömmlichen Rohrbündel-Wärmeaustauschern den Vorteil, dass sie nämlich neben hoher Wärmeleistung spezifisch mehr WÄrmeaustauschfläche bei konstantem Bauvolumen aufweisen. Darüber hinaus ist die Reinigung der Aussenflachen der Rohre, deren ZuÄtand für den Wärmeübergang von Rohrwand zu strömendem Medium von Einfluss ist, insbesondere wenn an eine mechanische Reinigung gedacht wird, wegen der stärker gekrümmten Oberfläche der Rohre im Rohrbündel-Wärmeaustauscher nur schwer durchzuführen. Die flache Formgebung der Wärmeübertragungselemente bedingt überdies bei einer Führung der Medien im Querstrom einen geringeren Druckverlust. Gegenüber den Platten- oder Lamellenwärmeaustauschern, die zum Teil die Nachteile der Rohrbündel-Wärmeaustauscher nicht aufweisen, sind bei Wärmeaustauschern nach der Erfindung insbesondere in Hinsicht auf die Fertigung und Betriebssicherheit der Wärmeübertragungselemente deutliche Vorzüge vorhanden. Im allgemeinen erfolgt die Herstellung der Lamellen durch Verschweissen von teilweise profilierten Stahlblechplatten. An den durch Profil gekrümmten Stellen der Lamellen, die überdies nahe den Schweissstellen gelegen sind, sind zu Versprödungen führende Veränderungen im Gefüge und Verschmutzungen zu beobachten, die unterstützt durch die oft starke mechanische und chemische Beanspruchung des Materials während des Betriebs zu Schaden und so zu Unterbrechungen im Betriebsablauf führen können. Schwierigkeiten der Abdichtung zwischen den einzelnen Wärmeübertragungselementen wie sie bei Plattenwärmeaustauschern auftreten, sind bei Austauchern mit Flachovalrohren nicht gegeben.Heat exchangers with oval flare tubes with a length ratio of the short to the long transverse axis in the range from 1: 1.3 to 1: 15 ³ ^ -S heat transfer elements have the advantage over conventional tube bundle heat exchangers that, in addition to high heat output, they specifically have more heat exchange surface at constant Have construction volume. In addition, the cleaning of the outer surfaces of the tubes, the condition of which is of influence for the heat transfer from the tube wall to the flowing medium, is difficult to carry out because of the more curved surface of the tubes in the tube bundle heat exchanger, especially when mechanical cleaning is considered. The flat shape of the heat transfer elements also results in a lower pressure loss when the media are guided in the cross-flow. Compared to plate or lamellar heat exchangers, some of which do not have the disadvantages of tube bundle heat exchangers, heat exchangers according to the invention have clear advantages, particularly with regard to the manufacture and operational reliability of the heat transfer elements. In general, the lamellae are produced by welding partially profiled sheet steel plates. Changes in the structure leading to embrittlement and contamination can be observed at the points of the lamellae which are curved by the profile and which are also located near the welding points, which, supported by the often high mechanical and chemical stress on the material during operation, lead to damage and thus interruptions can lead to operational processes. Difficulties in sealing between the individual heat transfer elements, as they occur with plate heat exchangers, do not exist in the case of exchangers with flat oval tubes.

Anhand der anliegenden Zeichnungen werden zwei Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Es zeigen schematisch: Fig. 1 im Querschnitt ein Wärmeübertragungselement,Two embodiments of the invention are explained with reference to the accompanying drawings. They show schematically: Fig. 1 in cross section a heat transfer element,

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!Pig. 2 eine Anordnung von Wärmeübertragungselementen zu einem Bohrblock als Schnitt der Fig. 3 längs der Linie A-A;! Pig. 2 shows an arrangement of heat transfer elements to one Drilling block as a section of Figure 3 along the line A-A;

Pig. 3 eine Anordnung von Wärmeübertragungseiementen zu einem Rohrblock als Schnitt der Fig. 2 längs der Linie B-B;Pig. 3 shows an arrangement of heat transfer elements to one Tube block as a section of Figure 2 along the line B-B;

Fig. 4- die Vorderansicht einer Anordnung von Wärmeübertragungselementen zu einem Rohrblock nach einer anderen Ausführungsform jFig. 4- is a front view of an arrangement of heat transfer elements to a tube block according to another embodiment j

Fig. 5 die Ansicht einer Anordnung von Wärmeüber tr agungs elementen zu einem Eohrblock im Schnitt der Fig. 4- längs der Linie C-C;Fig. 5 is a view of an arrangement of heat transfer elements to an ear block in the section of Fig. 4 along the line C-C;

Fig. 6 die Ansicht einer Anordnung von Wärmeübertragungselementen zu einem Rohrblock im Schnitt der Fig. 5 längs der Linie D-D.FIG. 6 shows the view of an arrangement of heat transfer elements for a tube block in the section of FIG. 5 along the line Line D-D.

In Fig. 1 ist der Querschnitt eines Flachovalrohres 1, wie es erfindungsgemäss als Wärmeübertragungseiement im Wärmeaustauscher eingesetzt wird, in etwa natürlicher Grosse dargestellt. Das Längenverhältnis der kleinen Querachse zu der grossen Querachse - durch dünne Linien angedeutet - beträgt hier 7 '· 27 mm, was für die meisten praktischen Fälle als geeignet anzusehen ist. Die Herstellung der Rohre erfolgt zweckmässigerweise durch Warmoder Kaltziehen, doch ist auch ein Yerschweissen an Stellen wie bei 1a in Fig. 1 gezeigt ohne Nachteil möglich.In Fig. 1, the cross-section of a flat oval tube 1, as it is used according to the invention as a heat transfer element in the heat exchanger, is shown in an approximately natural size. The length ratio of the small transverse axis to the large transverse axis - indicated by thin lines - is here 7 '· 27 mm, which is to be regarded as suitable for most practical cases. The pipes are expediently produced by hot or cold drawing, but welding at points as shown at 1a in FIG. 1 is also possible without any disadvantage.

Eine Ausführungsform für die Anordnung mehrerer parallel verlaufender Flachovalrohre ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Hier sind Flachovalrohre 1 von zwei unterschiedlichen Längenverhältnissen ihrer Querachsen reihenweise nebeneinander eingesetzt und wurden an ihren Enden in einer Art Rohrboden 2 eingelassen gehaltert. Die Flachovalrohre 1 sind so nebeneinandergereiht, dass die Flachovalrohre von grösserem Längenverhältnis der Querachsen seitlich, nahe der linken und der rechten Begrenzung vorgesehen sind. Zwischen den einzelnen Flachovalrohren der hier waagerecht übereinander angeordneten Rohrreihen sind als Distanzstücke Bolzen 3 angeordnet. Die Anwendung von Flachovalrohren von grösserem Längenverhältnis der Querachsen zu den Seiten hin bezweckt hier hin erster Linie eine bessere Raumausnutzung am Rohrblock.An embodiment for the arrangement of several parallel running Flat oval tubes are shown in FIGS. Here are flat oval tubes 1 of two different length ratios their transverse axes are used in rows next to one another and are supported at their ends in a type of tube sheet 2. The flat oval tubes 1 are lined up next to one another in such a way that the flat oval tubes have a greater length ratio of the transverse axes are provided laterally, near the left and right boundaries. Between the individual flat oval tubes here Rows of pipes arranged horizontally one above the other are arranged as spacers bolts 3. The use of flat oval tubes A greater length ratio of the transverse axes to the sides is primarily intended to improve the use of space on the Pipe block.

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Eine andere Ausführungsform der Anordnung von Flachovalrohren zeigen die Fig. 4 Ms 6. In Pig. 4 sind Flachovalrohre wiederum von zwei unterschiedlichen Längenverhältnissen der Querachsen zu Eeihen zusammengefügt. Die einzelnen Rohre einer Seihe liegen jedoch dicht nebeneinander. Die Enden der Eohre sind nicht in Bohrböden eingelassen, sondern mittels an ihrem Umfang - hauptsächlich zwischen den Rohrreihen - aufgelegtes bzw. aufgetragenes Material schweissverbunden. So ergibt sich ein flächiger von einem Ring 4 umgebener Abschluss der Zwischenräume zwischen den Reihen aus Flachovalrohren an den Stirnseiten des Rohrblocks. Ist der Rohrblock von einem hohlzylindrischen Gehäusemantel dicht und eng umgeben, so ist der nicht von den Flachovalrohren eingenommene Raum dicht umschlossen. Die zwischen den Rohrreihen angeordneten Distanzstücke 5 sind zweckmässigerweise als Leisten ausgeführt, die als Leitflächen zur Führung der Strömung dienen. Aus Fig. 6 wird deutlich, dass sich die Distanzleisten 5 nur teilweise, also nicht über den ganzen Querschnitt des Wärmeaustauschers erstrecken. Auf diese Weise kann im Zwischenraum zwischen zwei Rohrreihen eine Strömung hervorgerufen werden, die weniger in Längsrichtung der Flachovalrohre 1, sondern vielmehr diese mehrfach kreuzend, vom Einlass zum Auslass verläuft.Another embodiment of the arrangement of flat oval tubes Figure 4 shows Ms 6. In Pig. 4 are flat oval tubes in turn with two different length ratios of the transverse axes Marriages put together. However, the individual tubes of a strainer are close to one another. The ends of the ears are not in Boring floors let in, but by means of their circumference - mainly between the rows of pipes - applied or applied material welded together. This results in an area of a ring 4 surrounded closure of the spaces between the rows of flat oval tubes on the end faces of the tube block. If the pipe block is tightly and tightly surrounded by a hollow cylindrical housing jacket, it is not surrounded by the flat oval pipes Tightly enclosed space. The spacers 5 arranged between the rows of tubes are expediently as strips executed, which serve as guide surfaces to guide the flow. From Fig. 6 it is clear that the spacer strips 5 only partially, so not over the entire cross section of the heat exchanger. This way, in the space between two rows of tubes produce a flow that is less in the longitudinal direction of the flat oval tubes 1, but rather Crossing these several times, runs from the inlet to the outlet.

Diese Ausführungsform, die wie die erste die Flachovalrohre als geradlinig, parallelgeführte Wärmeübertragungselemente einsetzt, lässt den Vorteil, den eine dicht benachbarte Anordnung der /Flachovalrohre in Reihen bei der Reinigung des Rohrblocks bietet, besonders deutlich werden, da - sieht man von den sich zwischen zwei benachbarten Flaehovalrohren bildenden Zwickel ab praktisch eine einer Reinigung zugängliche Ebene vorliegt.This embodiment, which, like the first, uses the flat oval tubes as straight, parallel heat transfer elements, leaves the advantage that a closely spaced arrangement of the / flat oval pipes in rows offers when cleaning the pipe block, become particularly clear, as you can see practically from the gusset that forms between two adjacent flat oval tubes there is a level accessible for cleaning.

Die Anwendung von Flaehovalrohren als Wärmeübertragungselemente ist jedoch nicht auf geradlinig, parallellaufende Rohre beschränkt, vielmehr sind mit Erfolg auf spezielle Zwecke abgestellt, auch gebogene Flachovalrohre wie auch Flachovalrohrwendeln anwendbar.The use of oval tubes as heat transfer elements However, it is not limited to straight, parallel pipes, rather they are successfully used for special purposes, Curved flat oval tubes as well as flat oval tube coils can also be used.

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Claims

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Expectations

M)) Heat exchangers, characterized by tubes with flat oval cross-section as heat transfer elements, the length ratio the short to the long transverse axis is in the range from 1: 1.3 to 1:15.

2) Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the small IJuer axis is not shorter than 2 mm and the large transverse axis is not longer than 150 mm.

3) heat exchanger according to claim 1, characterized in that deLss the tubes at or near their ends through on their circumference applied material are connected to one another to form a flat closure.

4) heat exchanger according to claim 1, characterized in that ddss between two rows of tubes bolts or spacer bars are arranged, which the cross-section of the heat exchanger at this point partially enforce.

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