DE2629285A1

DE2629285A1 - Vorrichtung zum waermeaustausch

Info

Publication number: DE2629285A1
Application number: DE19762629285
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Ing Behm; Karl-Heinz Mayr; Gisbert Dipl Ing Zolinski
Original assignee: R&G Schmoele Metallwerke GmbH and Co KG
Current assignee: R&G Schmoele Metallwerke GmbH and Co KG
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1976-06-30
Publication date: 1978-01-19
Also published as: DE2629285B2

Description

PATENTANWÄLTE DR.-ING. W. STUHLMANN - DIPL-ING. R. WILLERT DR.-ING. P. H. OIDTMANN 2629285 AKTEN-NR. ^{2 8}^ ²6 5 36 483 BOCHUM. 29.6.1976 XR/H PostschlleQfach 24 BO Ihr Zeichen Fernruf O234/14O 61

BergstraB· 159 Telegr.i Stuhlmannpatant

R. & G. Schmöle Metallwerke, 5750 Menden/Sauerland Vorrichtung zum Wärmeaustausch

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen einem bevorzugt viskosen und einem nicht viskosen Medium, die innerhalb eines das viskose Medium führenden, in seiner axialen Länge begrenzten Ringraums zwei schraubenlinienförmig gewendelte, das nicht viskose Medium führende Rippenrohre gleicher Innen- und Außenkontur aufweist, von denen ein Rippenrohr koaxial in das andere Rippenrohr eingebettet ist.

Bei einer bekannten, zumeist als ölkühler verwendeten Bauart dieser Gattung wird der Ringraum einerseits durch einen zylinderförmigen Behälter mit in dessen endseitige öffnungen eingesetzten Deckeln und andererseits durch ein den Behälter in Längsrichtung zentral durchsetzendes, an den Deckeln festgelegtes Rohr gebildet. Im Ringraum sind zwei jeweils paarweise gewendelte Rippenrohre koaxial ineinandergelegt. Die Zuflußbzw. Abflußstutzen der Rippenrohrwendel sind in einem der Behälterdeckel befestigt.

Das viskose Medium, in diesem Fall zu kühlendes öl, wird an einem Ende des Behälters in das zentrale Rohr eingeleitet, in Längsrichtung durch das Rohr hindurchgeführt und am anderen Ende des Rohres durch radiale öffnungen in der Rohrwand in den Ringraum hineingeleitet. Das öl durchströmt dann entgegen die Strömungsrichtung im zentralen Leitrohr die Ringspalte, die im wesentlichen von der Innenwand des Behälters und den an-

709883/0011

T-"

grenzenden Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel, von den einander benachbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel und von der Oberfläche des zentralen Rohres und den angrenzenden Rippenspitzen der inneren Rohrwendel gebildet werden, sowie ferner die Räume zwischen den Rippen der Rippenrohre. Durch eine seitliche öffnung in der Behälterwand in der Nähe der Einfüllöffnung tritt das gekühlte öl wieder aus dem Behälter aus.

Das nicht viskose Medium, in diesem Fall Wasser, wird über den Einfüllstutzen in die inneren Rohrwendel hineingepumpt, durchströmt anschließend die inneren Rohrwendel bis zum entgegengesetzten Ende des Behälters und fließt dann durch die äußeren Rohrwendel und den Auslaßstutzen wieder aus.

Bei dieser Bauart einer Vorrichtung zum Wärmeaustausch ist die Fachwelt bislang der Ansicht, daß zwischen der Innenwand des Behälters und den angrenzenden Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel, zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel und zwischen der Oberfläche des zentralen Leitrohres und den angrenzenden Rippenspitzen der inneren Rohrwendel große Abstände, d.h. Ringspalte mit größeren Querschnitten, vorhanden sein müssen. In konkreten Zahlen ausgedrückt, sollen diese Ringspalte eine Breite von je mindestens 2,0 mm haben. Bei einer Standardrippenhöhe von etwa 3,5 mm und einer Rippenteilung von elf bis zwölf Rippen auf 25,0 mm Rohrlänge beträgt dabei das Verhältnis zwischen der Rippenhöhe und der Breite der Ringspalte 1,75· Dieses Verhältnis' wird von der Fachwelt als bislang optimal erreichbar angesehen, da man der Auffassung ist, daß Ringspalte kleinerer Breite zu solchen Druckverlusten führen, welche die Bereitstellung von mehr Energie und folglieh von entsprechend großen Maschinen erforderlich machen.

709883/0011

Nachteilig an dieser Bauart ist jedoch, daß aufgrund der relativ großen Breite der Ringspalte der in den Ringspalten strömende Anteil des viskosen Mediums eine wesentlich größere Geschwindigkeit aufweist als der zwischen den Rippen, insbesondere im Innern der Rippentäler, strömende Anteil. Die hier langsamere Strömung hat eine intensivere Kühlung des entsprechenden Anteils des viskosen Mediums zur Folge, was mithin zu einer Erhöhung seiner Zähigkeit führt. Die Höhe der Zähigkeit verringert aber die Strömungsgeschwindigkeit des Anteils in den Rippentälern noch mehr und führt hier zur Bildung einer zusammenhängenden Grenzschicht, die eine intensive Isolierwirkung zwischen dem in den Ringspalten fließenden und kaum einem Wärmeaustausch unterworfenen Anteildes viskosen Mediums und dem in den Rippenrohren fließenden nicht viskosen Medium/fcühlmedium) hervorruft. Das Ergebnis ist, daß von dem durch die Vorrichtung zum Wärmeaustausch geschickten viskosen Medium nur ein relativ geringer Anteil in einem wirklich befriedigenden Umfang am Wärmeaustausch teilnimmt.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch der eingangs angegebenen Gattung so zu verbessern, daß unter Einhaltung der bisherigen Baugröße und ohne ein wesentliches Mehr an Material-und Fertigungsaufwand eine im Vergleich zu den bekannten Bauarten wesentlich höhere Leistung erzielbar ist.

Gemäß der Erfindung kennzeichnet sich die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß bei einer Rippenhöhe der Rippenrohre von etwa 3,7 bis 4,5 mm und einer mittleren Rippendicke zwischen etwa 0,25 und 0,6 mm auf 25,0· mm Rohrlänge zwischen neun bis vierzehn Rippen vorgesehen sind, wobei der Abstand zwischen der radial äußeren Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel<c 1,0 mm, der Abstand zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen der

709883/0011

äußeren und der inneren Rohrwendel < 1,5 mm und der Abstand zwischen der radial innenliegenden Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der inneren Rohrwendel < 2,0 mm bemessen sind.

Das wesentlichste Merkmal der Erfindung besteht in einer erheblichen Reduzierung der Breite der Ringspalte sowie in einer Vergrößerung der Rippenhöhe bei ansonsten gleichbleibenden inneren und äußeren Abmessungen der Vorrichtung. Dadurch, daß das viskose Medium nunmehr nahezu vollständig ausschließlich durch geschlossene kanalartige Bereiche zwischen den Rippen der Rohre hindurchgeführt wird, gelangt fast die gesamte Menge des viskosen Mediums in Kontakt mit den Rippen und unterliegt damit einem intensiven Wärmeaustausch. Es können sich in den Rippentälern keine zusammenhängenden Grenzschichten mehr aufbauen, so daß eine isolierende Wirkung zwischen dem viskosen und dem nicht viskosen Medium unterbunden wird. Dadurch, daß in allen Querschnittsbereichen ein gleichmäßiger Wärmeaustauscheffekt herrscht, werden auch kurzfristig sich aufbauende Grenzschichten wieder sofort eingerissen und dem allgemeinen Strömungsverhalten unterworfen. Als weiterer Vorteil tritt hinzu, daß durch die engen Ringspalte zwischen der radial äußeren Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel, zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel sowie zwischen der radial innenliegenden Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der inneren Rohrwendel in diesen Bereichen Düseneffekte erzielt werden, die dazu führen, daß das viskose Medium nach dem Durchströmen der jeweils engsten Stellen seitlich abgelenkt und dann auf die in Strömungsrichtung nächstfolgenden Rippen aufprallt, von dort zurückgeworfen und dadurch intensiv verwirbelt wird. Interne Versuche haben gezeigt, daß im Rahmen der erfindungsmäßen Merkmale die Kühlleistung eines Ölkühlers um ca. 50 % gegenüber den bekannten Bau-

709883/0011

arten heraufgesetzt wird. Das bedeutet beispielsweise für einen solchen ölkühler, daß bei gleicher Baugröße und nahezu gleichem Materialeinsatz sowie gleichem Pertigungsaufwand wie bei der bekannten Bauart Öl innerhalb einer kürzeren Zeit wesentlich intensiver gekühlt wird.

Obwohl bereits im Rahmen der grundlegenden Merkmale der Erfindung eine Erhöhung der Leistung um nahezu das Doppelte gegenüber der bislang bekannten Bauart erreichbar ist, besteht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darin, daß bei einer Rippenhöhe der Rippenrohre von etwa 4,0 mm und einer mittleren Rippendicke von etwa 0,25 bis 0,6 mm auf 25,0 mm Rohrlänge zwischen elf und zwölf Rippen vorgesehen sind, wobei die Summe der Abstände zwischen der radial äußeren Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel, den einander benachbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel sowie der radial innenliegenden Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der inneren Rohrwendel den Wert von 2,0 mm nicht überschreitet. Hiermit ist es möglich, das mittlere Verhältnis zwischen der Rippenhöhe und den Ringspalten im Vergleich zu der bekannten Bauart von 1,75 auf 5,0 bis 6,0 zu erhöhen.

Um eine Oberflächenvergrößerung auf der Innenseite

in den

der Rippenrohre zu erzielen und damit in dem/Rippenrohren fließenden nicht viskosen Medium die Turbulenz zu erhöhen und gleichzeitig das Aufreißen sich eventuell bildender Grenzschichten intensiv zu unterstützen, sieht die Erfindung ferner vor, daß die Rippenrohre auf der Innenseite gewellt sind. Eine solche innenseitige Wellung führt dann zu einer um 60 % höheren Wärmeübergangszahl für das nicht viskose Medium als bei der bekannten Bauart und damit nochmals zu einer Leistungssteigerung. Die Wellung der Innenseite der Rippenrohre hat darüber hinaus den Vorteil, daß beim Wendeln der Rippenrohre der Ver-

709883/0011

formungsvorgang sowohl auf der Druck- als auch auf der Zugseite im Sinne eines Ziehharmonikaeffektes bedeutend begünstigt wird. Dabei ist es gemäß der Erfindung von Vorteil, daß die Wellung im mittleren Schnitt etwa 0,4 mm beträgt und die Wellentäler zweekmäßigerweise etwa im Bereich der Rippenfüße angeordnet sind.

Die ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch im vertikalen Längsschnitt im Schema,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt durch einen Längenabschnitt des Ringraums der Vorrichtung gemäß Fig. 1

und

Fig. 3 in nochmaliger Vergrößerung einen Längsschnitt durch die Rohrwandung eines in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 verwendeten Rippenrohres.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein zylindrischer Behälter bezeichnet, der an einem Ende durch einen Deckel 2 fest verschlossen ist. Der Deckel ist mit der Wandung 3 des Behälters verschweißt.

Koaxial zu einer in der Mitte des Deckels 2 eingearbeiteten Bohrung h ist außenseitig ein Anschlußstutzen 5 mit einem Innengewinde 6 aufgeschweißt. Auf der Innenseite des Deckels ist in ebenfalls koaxialer \erlängerung zu der Durchtrittsbohrung 4 ein Rohr 7 an den Deckel angeschweißt, das den Behälter 1 nahezu auf seiner gesamten Länge koaxial durchsetzt.

709883/0011

In das Innere des freien Rohrendabschnittes 8 ist eine zylindrische Schraubmuffe 9 eingesetzt und mit dem Rohr 7 verschweißt. Die Schraubmuffe ist mit ihrem anderen Endabschnitt in eine zentrale Ausnehmung 10 eines weiteren Deckels 11 dichtend eingesetzt. Die Abdichtung wird über eine radial wirksame Ringdichtung 12 bewirkt.

Der Deckel 11 greift seinerseits in den Behälter 1 hinein und ist gegenüber der radial äußeren Innenwand 13 des Behälters durch eine radial wirkende Ringdichtung 14 abgedichtet. Mit einem Radialflansch 15 liegt der Deckel auf der Stirnfläche 16 des Behälters auf. Die Festlegung des Deckels am Behälter und die Befestigung der Schraubmuffe mit dem Deckel erfolgt durch eine Zylinderkopfschraube 17 mit Innensechskant.

Aus der Fig. 1 ist ferner zu erkennen, daß das zentrale Rohr 7 im Bereich der Schraubmuffe 9 radiale Öffnungen besitzt. Ferner ist in einer Ausnehmung der Behälterwandung 3 in der Nähe des Deckels 2 ein sich mit seiner Längsachse radial zur Längsachse des Behälters 1 erstreckender Anschlußstutzen eingesetzt und verschweißt. Der Anschlußstutzen weist ein Innengewinde 20 auf.

In dem durch die Außenoberfläche 21 des zentralen Rohres 7 und die Innenwand 13 des Behälters 1 gebildeten Ringraum 22 sind schraubenlinienförmig gewendelte Rippenrohre 23, 24 eingesetzt. Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, laufen dabei zwei hintereinander angeordnete Rohrwendel 23 unmittelbar um das zentrale Rohr 7 herum, etwa von den radialen Austrittsöffnungen 18 ausgehend bis zum Deckel 2, und zwei weitere Rohrwendel 24 von dort zurück, dabei die inneren Rohrwendel koaxial umgebend, bis zu den radialen Austrittsöffnungen 18 des zentralen Rohres. Alle Rohrwendel sind im Bereich der Schraubmuffe 9 an Anschlußstutzen 25, 26 befestigt, die in dem Deckel 11 lösbar festgelegt sind.

709883/0011

Wie die Fig. 1-3 bei gemeinsamer Betrachtung zeigen, ist der Ringraum 22 von den Rohrwendeln 23, 24 vollständig besetzt. Dabei ist der Ringspalt A zwischen der radial äußeren Innenwand 13 des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen 27 der äußeren Rohrwendel 24 <. als 1,0 mm bemessen. Der Ringspalt B zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen 27, 28 der äußeren und der inneren Rohrwendel 24 und 23 ist ^ als 1,5 mm bemessen und der Ringspalt C zwischen der radial innenliegenden Innenwand 21 des Ringraumes und den angrenzenden Rippenspitzen 28 der inneren Rohrwendel 23 ist<2,0 mm bemessen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der dargestellten Vorrichtung mit einer Rippenhöhe h der Rippenrohre von etwa 4,0 mm (s. Fig. 3) und einer mittleren Rippendicke von etwa 0,25 bis 0,60 mm sind auf 25,0 mm Rohrlänge zwischen elf und zwölf Rippen 29 angeordnet. In diesem Zusammenhang beträgt die Summe der Breite sämtlicher drei Ringspalte A, B, C nicht mehr als 2,0 mm.

Aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 3 ist erkennbar, daß die Innenseiten 30 der Rippenrohre 23, 24 gewellt sind. Es ist zu sehen, daß dabei die Wellentäler 31 sich im Bereich der Rippenfüße 32 befinden. Die Wellung w ist im mittleren Schnitt etwa 0,4 mm bemessen. Die zeichnerischen Möglichkeiten erlauben es selbstverständlich "nicht, ohne übertreibende Hervorhebung die Ringspalte A, B, C zwischen den Rippenrohren 23, 24 sowie zwischen den Rippenrohren 23, 24 und dem zentralen Rohr 7 bzw. der Behälterwandung 13 zu veranschaulichen. Die insofern bestehende zeichnerische Unzulänglichkeit muß jedoch aufgrund der technisch möglichen Strichstärken in Kauf genommen werden, um das Wesen der Erfindung, d.h. die unter fertigungstechnischen sowie montagetechnischen Gesichtspunkten geringsten Ringspalte, mit der notwendigen Deutlichkeit hervortreten zu lassen.

709883/0011

Für den Betrieb der Vorrichtung sei noch erwähnt, daß diese beispielsweise in der Verwendung als ölkühler über den Anschlußstutzen 5 mit öl versorgt wird. Das öl durchströmt dann das zentrale Leitrohr 7 und tritt über die radialen öffnungen 18 in den Ringraum 22 aus. Im Ringraum durchströmt es die Ringspalte A, B, C zwischen den Rippenrohren 23, 24 bzw. den Wandungen 21, 13 des zentralen Leitrohres 7 und dem Behälter 1 sowie die Räume ζ zwischen den Rippen 29 und fließt dann über den radialen Stutzen 19 wieder gekühlt ab. Das Kühlmedium Wasser -.wird über den Anschlußstutzen 25 in die inneren Rohrwendeli 23 eingeführt und tritt nach dem Durchströmen der inneren und der äußeren Rohrwendel 23, 24 über den Anschlußstutzen 26 wieder aus.

700863/0011

Leerseite

Claims

"ATE r'AKVVÄLTE

DR.-ING. W. STUHLMANN - DIPL.-ING. R. WlLLERT

DR.-ING. P. H. OIDTMANN 2629285

AKTEN-NR. 284/26536 +63BOCHUM. 29.6.I976 XR/H

Postschließfach 24SO

Ihr Zeichen Fernruf O234/14O 61

Bergstraße 159 Telegr.i Stuhlmannpatent

R. & G. Schmöle

Metallwerke

5750 Menden/Sauerland

Patentansprüche:

(l/ Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen einem bevorzugt viskosen und einem nicht viskosen Medium, die innerhalb eines das viskose Medium führenden, in seiner axialen Länge begrenzten Ringraums zwei schraubenlinienförmig gewendelte, das nicht viskose Medium führende Rippenrohre gleicher Innen- und Außenkontur aufweist, von denen ein Rippenrohr koaxial in das andere Rippenrohr eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet , daß bei einer Rippenhöhe (h) der Rippenrohre (23, 24) von etwa 3,7 bis 4,5 mm und einer mittleren Rippendicke zwischen etwa 0,25 und 0,60 mm auf 25,0 mm Rohrlänge zwischen neun bis vierzehn Rippen (29) vorgesehen sind, wobei der Abstand zwischen der radial äußeren Innenwand (13) des Ringraums (22) und den angrenzenden Rippenspitzen (27) der äußeren Rohrwendel (24) < 1,0 mm, der Abstand zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen (27 bzw. 28) der äußeren und der inneren Rohrwendel (24 bzw.23) < 1,5 mm und der Abstand zwischen der radial innenliegenden Innenwand (21) des Ringraums (22) und den angrenzenden Rippenspitzen (28) der inneren Rohrwendel (23) < 2,0 mm bemessen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch ί, dadurch gekennzeichnet , daß bei einer Rippenhöhe (h) der Rippenrohre (23, 24) von etwa 4,0 mm und einer mittleren Rippendicke von etwa 0,25 bis 0,60 mm auf 25₃0 mm Rohrlänge zwischen elf und zwölf Rippen (29) vorgesehen sind, wobei die

709883/0011

Summe der Abstände zwischen der radial äußeren Innenwand (13) des Ringraums (22) und den angrenzenden Rippenspitzen (27) der äußeren Rohrwendel (24), den einander benachbarten Rippenspitzen (27 bzw. 28) der äußeren und der inneren Rohrwendel (24 bzw. 23) sowie der radial innenliegenden Innenwand (21) des Ringraums (22) und den angrenzenden Rippenspitzen (28) der inneren Rohrwendel (23) den Wert von 2,0 mm nicht überschreitet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rippenrohre (23, 24) auf der Innenseite (30) gewellt sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Wellung (w) im mittleren Schnitt etwa 0,4 mm bemessen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Wellentäler (31) etwa im Bereich der Rippenfüße (32) angeordnet sind.
709883/Q011