DE2705027A1

DE2705027A1 - Turbulator zum einsetzen in eine waermetauscherleitung

Info

Publication number: DE2705027A1
Application number: DE19772705027
Authority: DE
Inventors: Ronald Harry Smick
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-02-09
Filing date: 1977-02-07
Publication date: 1977-08-11
Also published as: DE2705027C3; HK14480A; AU2199077A; BR7700722A; JPS5298254A; DE2705027B2; FR2340526B1; FR2340526A1; US4044796A; JPS5522719B2; CA1069116A; GB1550271A

Description

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7. Februar 1977

Ronald Harry Smick 745 Chapel Street Ottawa, County of LaSalle Illinois 61350

Turbulator zum Einsetzen

in eine Wärmetauscherleitung

Die Erfindung betrifft einen Turbulator zum Einsetzen in eine Wärmetauscherleitung mit im wesentlichen ebenen inneren Wänden.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Turbulatoren oder Verwirbelungs- und Vermischungsvorrichtungen für Wärmetauscherleitungen, in denen heiße Flammengase als Wärmetauschmedium geführt sind.

Schon seit der Jahrhundertwende sind verschiedenartige Ablenkflächen oder Umlenkwände zum Einbau in den Heizrohren eines Boilers und für ähnliche Verwendungszwecke vorgeschlagen worden, die die heißen Flammengase gegen die Seitenwände der Flammengasrohre leiten sollen. Eine der Lösungen, wie sie beispielsweise in den US-Patenten 1 056 373 (Fig. 1), 2 091 274, 2 691 sowie 2 852 042 beschrieben ist, besteht darin, in das Heizrohr

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einen im wesentlichen flachen, sich in Längsrichtung erstreckenden Metallstreifen mit einer Vielzahl aus dem Streifen selbst gearbeiteter Lappen, Zungen oder Vorsprünge in das Feuerrohr einzusetzen. Dieser Streifen ist ferner gebogen und bildet daher unter alternierendem Winkel hervorstehende Vorsprünge, die einen Teil der Flammgase im Querschnitt des Feuerrohres vor und zurück ablenken.

Bei einer anderen Lösung ist der Streifen in Form einer Spirale verdreht und trägt ebenfalls verschiedene ablenkende Lappen oder Nasen, um innerhalb des Flammrohres eine turbulente und wirbelige Strömung zu erzeugen (vgl. US-Patente 1 056 373 Fig. 2,

1 272 113, 1 961 744 sowie 2 865 405). Bei einer weiteren Lösung ist ein im wesentlichen flacher Metallstreifen mit einer Anzahl welliger Biegungen mit (beispielsweise US-Patente

2 161 887 sowie 2 591 398, Fig. 1-3) oder ohne (beispielsweise US-Patente 1 948 064, 2 660 198 sowie 2 591 398 Fig. 4) vorstehende Nasen vorgesehen. Diese bekannten Vorrichtungen hatten jedoch im wesentlichen die Tendenz, die heißen Gase auf den gegenüberliegenden Seiten des flachen Streifens schachtförmig zu führen, die kälteren, dichteren Gasteile entlang der Kanten der spiralförmigen Streifen nach außen zu zentrifugieren. Ferner erzeugten sie infolge der Größe der Ablenklappen oder der Breite der gewellten Streifen einen zu großen Strömungswiderstand in dem Flammrohr. Im Hinblick auf das zuletzt erörterte Problem ist der kommerziell bisher wahrscheinlich erfolgreichste Turbulator entsprechend einer Ausführungsform ausgeführt, die in Fig. 4 des US-Patentes 2 591 398 (Brock) dargestellt ist. Dabei ist die Streifenbreite jedoch um die Hälfte oder mehr herabgesetzt und der Drehwinkel (siehe Spalte 3, Zeilen 38 - 42) auf etwa 45° abgewandelt. Eine Anwendung derartiger Turbulatoren

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oder zickzack-förmiger Umlenkwände ist bei einem Raumheizer in den US-Patenten 3 185 143 und 3 359 964 beschrieben. Obwohl derartige "Brock"-Turbulatoren die Wärmeübertragung von Flamingasen und anderen Heizmedien auf die Wände der Flammrohre und dergleichen wirksam verbessert haben, haben sie doch die Tendenz, das heiße Medium nur gegen die Hälfte des Rohrumfanges zu lenken ("nach unten"(downwardly), wie dies in Spalte 3, Zeile 42 des Brock-Patentes angegeben ist).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbulator der eingangs beschriebenen Art derart zu verbessern, daß er ohne wesentliche Erhöhung des Strömungswiderstandes eine im wesentlichen vollständige und gleichmäßige Vermischung des durch das Wärmetauschrohr fließende Mediums und eine Umlenkung des Mediums ermöglicht, bei welcher die gesamte Oberfläche des Wärmetauscherrohres gleichmäßig von dem Wärmetauschmedium beströmt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Turbulator der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß er aus einem länglichen, in eine Folge von alternierenden Ablenkflächen geformten Metallstreifen besteht, welche Ablenkflächen über im wesentlichen dreieckförmige, gegenüber der Turbulatorachse versetzte Uberbrückungsteile miteinander verbunden sind, und daß die Ablenkflächen zur im wesentlichen vollständigen und gleichförmigen Vermischung des den Wärmetauscher durchströmenden Mediums und zur Umlenkung desselben gegen die Innenwand der Wärmetauscherleitung längs des Streifens alternierend abgewinkelt sowie gleichzeitig relativ zur Turbulatorachse nach oben und unten schräggestellt sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ablenkflächen in drei längs der Durchflußrichtung des Wärmetauschermediums

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hintereinander liegenden Gruppen angeordnet, wobei die Ablenkflächen in der ersten Gruppe einen Schrägstellwinkel von 30°, in der zweiten Gruppe einen Schrägstellwinkel von 45° und in der dritten Gruppe einen Schrägstellwinkel von 60° relativ zur Turbulatorachse aufweisen. Die Breite der Streifen multipliziert mit dem Durchmesser der Wärmetauschleitung ergibt vorzugsweise etwa 30 % der Leitungsquerschnittsfläche. Jede der Ablenkflächen weist infolge ihrer Schrägstellung eine effektive Fläche auf, die etwa 20 % der Leitungsquerschnittsfläche entspricht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Ls zeigen:

Fig. 1 eine fragmentarische Schnittansicht eines horizontal verlaufenden Flammrohres mit einem eingesetzten erfindungsgemäßen Turbulator;

Fig. 2 eine Schnittansicht des Flammrohres längs Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht des Flammrohres längs Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 eine vergrößerte, perspektivische Teilansicht eines Teiles des in Fig. 1 dargestellten Turbulators und des mittleren Segmentes des in Fig. 6 dargestellten Turbulators ;

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Fig. 5 eine fragmentarische Schnittansicht eines Feuerrohres mit einem in senkrechter Richtung eingesetzten Turbulator gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine fragmentarische Seitenansicht ähnlich Fig. 1 mit einem abgewandelten Turbulator gemäß der Erfindung, der in drei Segmente mit jeweils unterschiedlichen Schrägstellungswinkeln gegenüber der Horizontalen gegliedert ist;

Fig. 7 eine Ansicht ähnlich Fig. 4 des linken Segmentes des abgewandelten Turbulators der Fig. 6 und

Fig. 8 eine Ansicht ähnlich Fig. 7 des rechten Segmentes des abgewandelten Turbulators der Fig. 6.

Die Erfindung wird anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben; sie soll jedoch nicht auf diese konkreten Ausführungsbeispiele beschränkt sein, entsprechende Abwandlungen und Äquivalente sollen ebenfalls in den Schutzbereich fallen.

In den Fig. 1, 2 und 3 ist ein Flammrohr 10 dargestellt, in welches die erfindungsgemäße Umlenk- und Verwirblervorrichtung, im folgenden Turbulator 12 genannt, eingesetzt ist. Obwohl das dargestellte Flammrohr 10 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, kann es ebensogut einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt oder einen Querschnitt mit beliebiger, geschlossener Form aufweisen. Obwohl das Rohr im folgenden als Flammrohr beschrieben ist, also als Rohr, durch das heiße Flammgase strömen, ist unter diesem Rohr allgemein jegliches Wärmetauschrohr zu verstehen, in dem ein Wärmetauschmedium durch das Rohr strömt, während ein anderes Wärmetauschmedium an der Außenseite des Rohres vorbeiströmt. Der Ausdruck Flammgase steht dann auch

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allgemein für beliebige Wärmetauschmedien, die flüssig oder gasförmig sein können oder eine Mischung von Flüssigkeit und Gas umfassen können, wie das bei Dämpfen der Fall ist.

Gemäß der Erfindung besteht der Turbulator 12 aus einem länglichen Metallstreifen, der in eine Anzahl von alternierenden Ablenkflächen 14 und 16 gebogen ist, die ihrerseits über im wesentlichen dreieckförmige Überbrückungsteile fortlaufend miteinander verbunden sind. Wie sich aus den Fig. 1 - 3 ergibt, kann der Turbulator 12 an einem Ende eine Teilfläche 20 und vorzugsweise am anderen Ende eine hervorstehende Grifffläche 22 aufweisen. Aus Fig. 1 ergibt sich weiterhin, daß der Turbulator 12 derart dimensioniert ist, daß die Ablenkflächen 14 und 16 sich im wesentlichen über den gesamten Durchmesser des Flammrohres 10 erstrecken, und daß die Überbrückungsteile 18 gegenüber der Achse des Turbulators 12 seitlich versetzt angeordnet sind.

Gemäß der Erfindung sind die Ablenkflächen 14 und 16 alternierend vor- und zurückgewinkelt und gleichzeitig gegenüber der Achse des Turbulators 12 nach oben bzw. nach unten schräggestellt. Wenn man in den Fig. 1 und 2 die Strömungsrichtung der Flammgase in dem Flammrohr 10 von links nach rechts annimmt, dann lenken die Ablenkflächen 14 die Flammgase nach oben und gegen eine Seite des Flammrohres, die Ablenkflächen 16 dagegen lenken die Flammgase nach unten und gegen die andere Seite des Flammrohres. Durch diese alternierende Winklung und Schrägstellung der Ablenkflächen 14 und 16 ergibt sich nicht nur eine vollständige Mischung der Flammgase, sondern die Flammgase werden auch, was noch wichtiger ist, im wesentlichen vollständig und gleichmäßig gegen die Innenwand des Flammrohres 10 gelenkt. Wie für den Fachmann ersichtlich, wird dadurch die Wärmetausch-

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Wirksamkeit der Turbulator-Flammrohr-Kombination gegenüber bisher bekannten Konstruktionen v/esentlich verbessert, die die Flammgase lediglich gegen etwa die Hälfte der Flammrohroberfläche lenken. Eine größere Wirksamkeit bedeutet natürlich auch eine Herabsetzung der Heizmittelkosten.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Turbulators liegt auch darin, daß infolge der alternierenden Abwinklung und Schrägstellung der Ablenkungsflächen 14 und 16 und der sich daraus ergebenden Anströmung der Flammgasinnenwand über 360° der Turbulator im Innern des Flammrohres eingesetzt werden kann, ohne daß man auf die Winkelstellung des Turbulators im Innern des Flammrohres besonders achten muß. Dies erleichtert nicht nur die Anfangsinstallierung, sondern es macht auch die kostspielige Wartung überflüssig, die in der Vergangenheit nötig war, wenn die bisher bekannten, einseitig wirksamen Turbulatoren fehlorientiert waren.

Wie bereits erwähnt, weist der Turbulator 12 vorzugsweise eine aus dem Ende des Flammrohres 10 hervorragende Grifffläche 22 auf. Wenn man den Turbulator 12 aus dem Flammrohr entfernen will, muß man ihn nur mittels der Grifffläche 22 nach rechts herausziehen (vgl. Fig. 1 und 2). Die letzte Ablenkfläche 14a neben der Grifffläche 22 ist etwas länger ausgeführt als die übrigen Ablenkflächen 14 und 16. Wie in Fig. 1 dargestellt, liegt diese Ablenkfläche 14a daher unter einer gewissen Spannung an der Kante des Flammrohres an, wenn der Turbulator 12 vollständig eingesetzt ist. Dadurch wird der Turbulator 12 im Flammrohr in seiner Stellung festgehalten und gegen ein Rattern und Vibrieren geschützt, das sonst auftreten könnte.

In der Ausfuhrungsform der Fig. 1 bis 3 sind alle Ablenkflächen 14 und 16 gegenüber der Turbulatorachse 12 um etwa 45°

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schräggestellt, wobei die Ablenkflächen 14 relativ zur Achse des Turbulators nach oben und nach vorne und die Ablenkflächen 16 nach unten und nach vorne schräggestellt sind. Der besseren Übersichtlichkeit wegen ist in Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht der Ablenkfläche 16, der zwei daran anschließenden dreieckförmigen Überbrückungsteile 18 und von Teilen der beiden sich daran anschließenden Ablenkflächen 14 dargestellt. Man erkennt dabei, daß jedes der beiden dreieckförmigen Uberbrückungsteile 18 ebenfalls um 45° schräggestellt ist, so daß seine Grundseite der Turbulatorachse näher liegt als der Scheitel. Wie der Fachmann erkennt, bewirkt gerade diese Ausbildung der Überbrückungsteile 18 die alternierende Abwinklung der Ablenkflächen 14 und 16, wobei diese außerdem über das Flammrohr in diesem Falle unter einem Winkel von etwa 4 5° gegenüber der Turbulatorachse vor-und zurückgewinkelt sind.

Es ist wichtig, daß der Turbulator 12 keinen zu großen Teil der Querschnittsfläche des Flammrohres 10 einnimmt, da er sonst einen zu großen Strömungswiderstand erzeugen würde. Es ist gefunden worden, daß sich ein wirksamer Turbulator 12 dann ergibt, wenn die Breite des Metallstreifens multipliziert mit dem Durchmesser des Flammrohres eine Größe ergibt, die etwa 30 % der Querschnittsfläche des Flammrohres entspricht. Infolge der Schrägstellung der Ablenkflächen 14 und 16 ergibt sich dabei eine effektive, senkrecht zur Rohrlängsachse stehende Fläche, die kleiner ist als 30 % der Gesamtquerschnittsfläche des Flammrohres. Mit einem Streifen der beschriebenen Breite und einer Ablenkflächenschrägstellung von etwa 4 5° beträgt diese effektive Fläche etwa 20 % der Gesamtquerschnittsfläche des Flammrohres (vgl. Fig. 3).

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Der Turbulator 12 kann im wesentlichen gleich lang sein wie das Flammrohr 10 oder kürzer. Bei einer Anordnung von Flammrohren in der Senkrechten, können in den oberen Rohren längere Turbulatoren und in den unteren Rohren kürzere Turbulatoren eingesetzt werden, um die Wärmebelastung auszugleichen. Eine derartige Anordnung ist bei den bekannten Turbulatoren vom "Brock"-Typ bereits bekannt (vgl. beispielsweise Fig. 1 des US-Patentes 3 185 143) und bildet für sich genommen keinen Teil der vorliegenden Erfindung.

Da die Flammgase durch den Turbulator 12 über 360° gegen die Innenfläche des Flammrohres gelenkt werden, kann diese Anordnung vorteilhaft auch bei senkrecht orientierten Flammrohren Verwendung finden. Ein Teil eines solch senkrecht stehenden Flammrohres mit einem Turbulator gemäß der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Der hier eingesetzte Turbulator 12 ist im wesentlichen gleich aufgebaut wie der in den Fig. 1 bis 3 dargestellte.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Schrägstellungswinkel der Ablenkflächen von einer relativ flachen Schrägstellung am Einströmende des Turbulators bis zu einer relativ steilen Schrägstellung am Ausströmende desselben variiert werden. Wenn die heißen Gase in das Flammrohr eintreten, dann füllt das Gas das Rohr im wesentlichen gleichförmig aus, so daß nur eine schwache Durchmischung und eine schwache Ablenkung nötig sind, um eine gleichmäßige Aufheizung der Rohrinnenfläche durch das Gas zu erreichen. Beim Durchströmen des Flammrohres verliert jedoch das Gas einen Teil seiner Wärme an das Flammrohr und zieht sich zusammen. In zunehmendem Maße benötigt man daher eine stärkere Durchmischung und eine stärkere Ablenkung des Gases, um dieses gegen die Rohrwand zu richten.

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In Fig. 6 sind drei Sektionen eines entsprechend abgewandelten Turbulators 30 dargestellt. In der mittleren Sektion oder im Mittelteil sind die Ablenkflächen 14 und 16 unter dem gleichen Schrägstellungswinkel von 45° angeordnet, wie dies in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist. In der linken Sektion oder im Eingangsteil weisen die Ablenkflächen 14b und 16b einen Schrägstellungswinkel gegenüber der Turbulatorachse von etwa 30° auf, in der rechten Sektion oder dem Ausströmteil beträgt der Schrägstellungswinkel der Ablenkflächen 14c und 16c gegenüber der Turbulatorachse etwa 60°. Eine vergrößerte Darstellung der Ablenkflächen 16 und von Teilen der Ablenkflächen 14 im mittleren Teil der Fig. 6 gibt Fig. 4. Die Fig. 7 und 8 sind ähnliche fragmentarische Darstellungen der linken und der rechten Sektion des in Fig. 6 gezeigten Turbulators. Aus diesen Figuren ergibt sich deutlicher der unterschiedliche Schrägstellungswinkel der Flächen 14b und 16b gegenüber den Ablenkflächen 14c und 16c.

Es hat sich herausgestellt, daß der abgewandelte, in Fig. 6 dargestellte Turbulator besonders wirksam eine gleichmäßige Verteilung der Flammgase über die Innenwand von Flammrohren erzeugt, die in älteren Boilern mit geringer Strömung verwendet werden. Es wird noch darauf hingewiesen, daß zwar in Fig. 6 jeweils nur ein Ablenkflächenpaar 14, 16 in jeder der beiden Sektionen dargestellt ist, daß in der Praxis aber eine Vielzahl von Ablenkflächen 14b, 16b mit einem Schrägstellungswinkel von 30° gegenüber der Turbulatorachse vorgesehen sind, an die sich eine Vielzahl von Ablenkflächen 14, 16 mit einem Schrägstellungswinkel von 45° und dann eine Sektion mit einer Vielzahl von Ablenkflächen 14c, 16c anschließen, die gegenüber der Turbulatorachse um 60° schräggestellt sind.

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Claims

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Patentansprüche:

Turbulator zum Einsetzen in eine Wärmetauscherleitung mit im wesentlichen ebenen inneren Wänden, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem länglichen, in eine Folge von alternierenden Ablenkflächen (14, 16; 14b, 16b; 14c, 16c) geformten Metallstreifen besteht, welche Ablenkflächen über im wesentlichen dreieckförmige, gegenüber der Turbulatorachse versetzte Uberbrückungsteile (18) miteinander verbunden sind, und daß die Ablenkflächen längs des Streifens alternierend abgewinkelt sowie gleichzeitig relativ zur Turbulatorachse nach oben und unten schräggestellt sind.

2. Turbulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkflächen (14, 16; 14b, 16b; 14c, 16c) im wesentlichen unter einem rechten Winkel gegeneinander abgewinkelt sind und gegenüber der Turbulatorachse alternierend um Winkel zwischen 30 und 60° nach oben und unten schräggestellt sind.

3. Turbulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägstellungswinkel im wesentlichen 45° beträgt.

4. Turbulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägstellungswinkel der Ablenkungsflächen vom einströmseitigen Ende des Turbulators längs der Strömungsrichtung des Wärmetauschmediums von etwa 30° auf etwa 60° ansteigt.

5. Turbulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkflächen längs der Strömungsrichtung des Wärmetauschmediums in drei aufeinanderfolgenden Gruppen angeordnet sind, wobei die Ablenkflächen (14b, 16b) der ersten Gruppe einen

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Schrägstellungswinkel von 3O°, die Wärmetauschflächen {14, 16) der zweiten Gruppe einen Schrägstellungswinkel von 45° und die Ablenkflächen (14c, 16c) der dritten Gruppe einen Schrägstellungswinkel von etwa 60° gegenüber der Turbulatorachse aufweisen.

6. Turbulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Streifens derart gewählt ist, daß die Breite multipliziert mit dem Durchmesser der Wärmetauschleitung etwa 30 % der Gesamtquerschnittsfläche der Wärmetauschleitung ergibt.

7. Turbulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er infolge der Schrägstellung der einzelnen Ablenkflächen eine effektive Querschnittsfläche von etwa 20 % der Gesamtquerschnittsfläche der Wärmetauschleitung einnimmt.

8. Turhulatur nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis der dreieckförmigen Uberbrückungsteile (18) im wesentlichen parallel zur Turbulatorachse verlaufend angeordnet ist.

9. Turbulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die dreieckförmigen Überbrückungsteile (18) nach innen schräggestellt sind, wobei ihre Grundseite näher an der Turbulatorachse liegt als ihr Scheitel.

10. Turbulator nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grifffläche (22) vorgesehen ist, die aus dem Ende der Wärmetauschleitung herausstehen kann und aus der von der benachbarten Ablenkfläche (14a) gebil-

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deten Ebene herausgebogen ist, wobei die Ablenkfläche (14a) derart dimensioniert ist, daß sie unter Spannung an der Innenwand der Wärmetauschleitung anliegt.

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