DE2156578B2

DE2156578B2 - Flexible Wärmetauscher-Rohrleitung

Info

Publication number: DE2156578B2
Application number: DE2156578A
Authority: DE
Inventors: Knut Dr.-Ing. 3000 Hannover Kauder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-11-15
Filing date: 1971-11-15
Publication date: 1980-12-11
Also published as: JPS5517920B2; JPS4862006A; DE2156578A1; US3817319A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine flexible Wärmetauscher-Rohrleitung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs!.

In weiten Bereichen der T£"*hnik werden Rohre verwendet, deren Wandung durch regelmäßig wiederkehrende geometrische Forme? gebildet werden. Solche Rohre können flexibel oder steif sein, um bestimmten Anforderungen zu genügen. In den meisten Anwendungsfällen dienen diese Rohre zum Flüssigkeits-, Gas- oder Wärmetransport, wobei heute neben kurzen flexiblen Verbindungen, sogenannten Metallschläuchen, mittlere Längen für den Wärmeaustausch und gewellte Rohre größerer Längen von mehreren hundert Metern für Brauchwasser-, Abwasser- un.i Femheizungsnetze eingesetzt werden. Diese sog. Wellrohre können ihrer Flexibilität wegen auf Trommein aufgewickelt und wie ein elektrisches Kabel unmittelbar ins Erdreich verlegt werden. In den letzten Jahren ist der Bedarf an solchen rillenrauhen Rohren sehr rasch angestiegen, die Verwendung der Rohre jedoch für bestimmte Zwecke, beispielsweise als Wärmelauscherrohre, erfüllt jedoch nicht immer die an sie gestellten Forderungen.

Beim Wärmetausch dürfen sich die strömenden Medien bekanntlich im allgemeinen nicht unmittelbar berühren. Aus diesem Grunde wählt man zur Wärmeübertragung von einem Medium auf ein anderes häufig Rohrleitungen, die einmal die Aufgabe haben, die strömenden Medien in räumlich getrennten Bahnen zu führen, und gleichzeitig die Wärme auf möglichst kurzem Wege übertragen sollen. eo

Die Wärmeübergangszahl λ ist u. a. eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit des in einem Rohr geführten Fluids.

So ist es beispielsweise bereits bekannt, zur Beeinflussung der Strömung von in einem glatten Rohr hi geführten Medien in das Rohr blenderiförmigc Einbauten unterschiedlicher Querschnitte einzusetzen. Desgleichen hat man auch bereits glatte Rohre mit blendenförmigen Einbauten rechteckigen Querschnitts versehen, die entweder scheibenförmig, propellerartig oder wendelartig aufgebaut waren. Der Wärmeübergang kann bei konstanter Reynoldscher Zahl bis achtmal so groß, der Druckverlust je nach Füllkörperart bis 10 OOOmal so groß wie in glatten Rohren werden. Die wirtschaftlichen Vorteile des erhöhten Wärmeüberganges müssen mit hohen Druckverlusten, d. h. vergleichsweise hoher zu installierender Pumpenleistun£. erkauft werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flexible Wärmetauscher-Rohrleitung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei der zwischen Wärmeübergangszahl und Strömungswiderstand ein optimales Verhältnis erreichbar ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst

Ein Rohr, das den Bedingungen gemäß der Erfindung entspricht, unterscheidet sich von den obengenannten bekannten Einrichtungen und Anordnungen zur Turbulenzerzeugung dadurch, daß die Strömung im Rohr in eine Rotation versetzt wird. Unter Rotation ist hierbei der Quotient aus dem Produkt der Umfangsgeschwindigkeit und dem Umfang sowie der doppelten Querschnittsfläche zu verstehen. Die Rotation wird demnach um so größer, je größer das Produkt aus Geschwindigkeit und Umfang und je kleiner der Querschnitt ist ·

Durchströmt eine zähige Flüssigkeit beispielsweise ein Rohr mit schraubenförmiger Kontur, dann überträgt die Schraubenform aufgrund der vorhandenen Zugspannungen eine Drehung auf den zylindrischen Kernstrom. Demnach setzt sich die Geschwindigkeitsverteilung aus zwei Komponenten, nämlich der Axial- und der Umfangsgeschwindigkeit zusammen. Die Stärke der Rotation und ihre Verteilung hängen entscheidend vom Rillenrauhigkeitsgrad ab, der durch das Verhältnis von Wellentiefe t zum Wellenabstand T gegeben ist Dabei übt der Wellenabstand, im vorliegenden Fall besser Wellensteigung genannt, auf die Drehung bzw. Rotation der Kernströmung einen stärkeren Einfluß aus, als es die Welientiefe vermag.

In Durchführung der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Verhältnis von Wellentief°. zum Abstand zweier Wellenkuppen zu 0,1 bis 0,2 zu wählen, sowie das Verhältnis von Weli-ntiefe zu Rohrinnendurchmesser 0,03 bis 03 betragen zu lassen. Auf diese Weise ist es möglich, Wellrohre auszubilden, die optimale Wärmeübertragungseigenschaften besitzen und somit speziell für Wärmetauscherzwecke geeignet sind.

Eine weitere Verbesserung eines nach der Erfindung ausgebildeten Wellrohres läßt sich dadurch erreichen, daß die durch die Wellrohrkontur beschriebene Rohrinnenfläche so gewählt wird, daß die zugehörige RohrauBenfläche etwa gleich oder kleiner dem Produkt aus 2/3 · Wellenabstatid und Wellentiefe, d. h. 2/3 · T< 4 ist

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der F i g. I bis 6 näher erläutert, Es zeigt

Fi g. I die Geschwindigkeitsverteilung der Strömung in einem Wellrohr,

Fig. 2 ein Diagramm, in dem der Anteil der Rotationsenergie an der kinetischen Energie als Funktion des Wellensteigungswinkels dargestellt ist,

Fig.3 ein Diagramm, in dem der Anteil der Rotiitionsenergie an der kinetischen Energie in

Abhängigkeit von der auf den Durchmesser bezogenen Wellentiefe veranschaulicht ist,

Fig,4 die allgemeine Darstellung eines Wellrohres im Längs- und Querschnitt zur Demonstration der Funktionsindizes und

F i g. 5 und 6 je eine Ausführungsform des gewellten Rohres der flexiblen Wärmetauscher-Rohrleitung gemäß der Erfindung.

Gemäß Fi g. 1 setzt sich die Geschwindigkeitsverteilung aus den beiden Komponenten, Axial- und Umfangsgeschwindigkeit, zusammen. Dabei ist der Verlauf der Geschwindigkeitsverteilung in axialer Richtung mit C_n der Verteilung in Umfangsgeschwindigkeit mit Ca und die Gesamtgeschwindigkeitsverteilung mit c bezeichnet

Entsprechend der Geschwindigkeitsverteilung, wie sie in der F i g. 1 dargestellt ist, führt die in einem Wellrohr erzeugte Strömungsform in den Massenelementen einen Energieanteil in axialer Richtung und einen in Umfangsrichtung als kinetische Energie mit sich. Der Energieanteil in axialer Richtung sei mit Et_x und der in Umfangsrichtung mit E_x (Rotationsenergie) bezeichnet Die mit kinetischer Energie Deladenen Masseteilchen sind gleichzeitig Träger der Wärmeenergie, so daß durch einen möglichst großen Anteil von Rotationsenergie an der gesamten kinetischen Energie der Wärmetransport an die Wand stark intensiviert wird. Die bei parallel gewellten Rohren vorhandenen Totwasserzonen m den Wellen, die eine Verschlechterung der Wärmeübertragung an die umgebende Wand bedeuten, können sich wegen der vorhandenen Rotation des Kernstromes nicht mehr ausbilden. Bei Rohren mit schraubenförmig verlaufender Wellung ist daher im allgemeinen eine günstigere Wärmeübertragung zu erreichen.

Für das in der F i g. 4 dargestellte gewellte Metallrohr, das beispielsweise aus einem zum Rohr geformten längsnahtgeschweißten und anschließend gewellten Metallband dünner Wanddicke bestehen kann, sind charakteristisch sein Wellenabstand T und
Wellentiefe t Der Wellensteigungswinkel

T
Λ = arc tan—r

beeinflußt die Größe der Rotation primär. Dabei bedeutet F₁ die von der Wellrohrkontur beschriebene Innenfläche und F₂ die von der Wellrohrkontur beschriebene Außenfläche.

ίο Wählt man bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Verhältnis von Wellentiefe t zum Abstand zweier Wellenkuppen Tso, daß es zwischen 0,01 bis 0,5, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,2, liegt, und das Verhältnis von Wellentiefe zum Rohrinnendurchmesser d so, daß es 0,01 bis 1,0, vorzugsweise 0,03 bis 03, beträgt, dann ergibt sich bei einem Wellensteigungswinkel ό von 5 bis 20° eine Rohrleitung, bei der bei vergleichsweise geringsten Durchströmungsverlusten ein hoher Anteil an Rotationsenergie erzeugt wird.,

Eine sotehe Rohrleitung, die den obengenannten angegebenen Bedingungen genügV/ist in der Fig.5 dargestellt Diese Rohrleitungen verbesserter Wärmeübertragung können vorteilhaft in mehreren Längen zusammengefaßt für Wärmeaustauschereinrichtjjngen,

z. B. bei der Meerwasserentsalzung, Verwendung finden. Hierbei kann es oft vorteilhaft sein, die Rohre nicht über die gesamte Länge mit einer schraubenlinienförmigen Wellung zu versehen, sondern in bestimmten Abständen mit glatter Wandung auszubilden, um sie leicht in die Wärmetauscherböden einsetzen zu können. Wenn unabhängig von den oben angegebenen Bedingungen für Wellensteigungswinkel, Wellentiefe und Welligkeit die durch die Wellrohrkontur beschriebene Innenfläche so gewählt wird, daß die Fläche, gebildet aus-=-, t und der äußeren Rohrkontur etwa

gleich oder kleiner dem Produkt aus 2/3 · Wellenabstand und Wellentiefe ist, ergibt sich die in Fig.6 dargestellte Ausführungsform.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Flexible Wärmetauscher-Rohrleitung zur Fortleitung von Fluiden aus einem ganz oder teilweise gewellten Rohr mit schraubenlinienförmig verlaufender Wellung, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Wellentiefe (t) zum Abstand zweier Wellenkuppen (T) 0,01 bis OA das Verhältnis von Wellentiefe (t) zum Rohrinnendurchmesser (d) 0,01 bis 1,0 und der Winkel (<5) der Wellensteigung 5 bis 20° beträgt

2. Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Wellentiefe φ zum Abstand zweier Wellenkuppen (T)Q,\ bis 0,2 beträgt

3. Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Wellentiefe (t) zum Rohrinnendurchmesser (d)0,03 bis 0ß beträgt

4. Rohrleitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Wellrbbrkontur beschriebene Rohrinnenfläche (Fi) so gewählt ist, daß die zugehörige Rohraußenfläche (/2) etwa gleich oder kleiner dem Produkt aus 2/3 · Wellenabstand (T)vmd Wellentiefe (t) ist

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