DE2705027C3 - Turbulator zum Einsetzen in eine Wärmetauscherleitung - Google Patents
Turbulator zum Einsetzen in eine WärmetauscherleitungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Turbulator zum Einsetzen
in eine Wärmetauscherleitung, der aus einem länglichen, in eine Folge von alternierenden Ablenkflächen
geformten Metallstreifen besteht, welche Ablenkflächen relativ zur Turbulatorachse abwechselnd nach
oben und nach unten schräggestellt sind.
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 Ablenkflächcn 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 10 56 373 (Fig. 1),
20 91274, 26 91991 sowie 28 52 042 beschrieben ist,
besteht darin, in das Heizrohr 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 10 56 373 Fig. 2,12 72 113,
19 61 744 sowie 28 65 405). Bei einer weiteren Lösung ist
ein im wesentlichen flacher Metallstreifen mit einer Anzahl welliger Biegungen mit (beispielsweise US-Patente
21 61 887 sowie 25 91 398, Fig. 1-3) oder ohne (beispielsweise US-Patente 19 48 064, 26 60 198 sowie
25 91 398 Fig. 4) vorstehende Nase vorgesehen. Diese bekannten Vorrichtungen hatten jedoch im wesentlichen
die Tendenz, die heißen Gase auf den gegenüberliegenden Seiten des flachen Streifens schichtförmig 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 25 91 398 (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
oder zickzack-förmiger Umlenkwände ist bei einem Raumheizer in den US-Patenten 31 85 143 und
33 59 964 beschrieben. Obwohl derartige »Brock«-Turbulatoren die Wärmeübertragung von Flammgasen 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«, 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 einem Turbulator der eingangs beschriebenen An erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Ablenkflächen zusätzlich gegenüber der Turbulatorachse abwechselnd nach der einen und nach
der anderen Seite schräggestellt und über im wesentlichen dreieckförmige, gegenüber der Turbulatorachse
versetzt angeordnete Überbrückungsteile miteinander verbunden sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ablenkflächen in drei längs der Durchflußrichtung des
Wärmetauschermediums 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 μ Wärmetauschleitung ergibt vorzugsweise etwa 30% der
Leitungsquerschnittsfläche. Jede der AblenkfJächen 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. Es zeigt
Fig. 1 eine fragmentarische Schnittansicht eines horizontal verlaufenden Flammrohres mit einem eingesetzten
erfindungsgemäßen Turbulator;
F i g. 2 eine Schnittansicht des Flammrohres längs der Linie 2-2 in F i g. 1;
Fig.3 eine Schnittansicht des Flammrohres längs Linie 3-3 in F i g. 1;
F i g. 4 eine vergrößerte, perspektivische Teilansicht eines Teiles des in F i g. 1 dargestellten Tu-bulators und r>o
des mittleren Segmentes des in F i g. 6 dargestellten Turbulators;
Fig.5 eine fragmentarische Schnittansicht eines Feuerrohres mit einem in senkrechter Richtung
eingesetzten Turbulator gemäß der Erfindung;
Fig.6 eine fragmentarische Seitenansicht ähnlich
Fi g. 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 F i g. 6 und
Fig.8 eine Ansicht ähnlich Fig.7 des rechten
Segmentes des abgewandelten Turbulators der F i g. 6.
In den F i g. 1,2 und 3 ist ein Flammrohr 10 dargestellt,
in welches eine Umlenk- und Verwirblervorrichtung, im folgenden Turbulator 12 genannt, eingesetzt ist. Obwohl
das dargestellte Flammrohr 10 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, kann es ebeasogut 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 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.
Der Turbulator 12 besteht aus einem länglichen Metallstreifen, der in eine Anzahl von alternierenden
Ablenkflächen 14 und 16 gebogen ist, die ihrerseits über
im wesentlichen dreieckförmige Überbrückungsteile 18 längs der den Scheitel 24 einschließenden Seiten 26
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.
Die Ablenkflächen 14 und 16 sind alternierend vor- und zurückgewinkelt und gleichzeitig gegenüber der
Achse des Turbulators 12 nach oben bzw. nach unten schräggestellt. Wenn man in den F i g. 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. Dadurch wird die Wärmetauschwirksamkeit
der Turbulator-Flammrohr-Kombination
gegenüber bisher bekannten Konstruktionen wesentlich 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 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 iiTi 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. F i g. 1 und 2). Die letzte Ablenkfläche
14a neben der Grifffläche 22 ist etwas langer ausgeführt als die übrigen Ablenkflächen 14 und 16. Wie in F i g. 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 Ausführungsform der Fig. 1 bis 3 sind alle Ablenkflächen 14 und 16 gegenüber der Turbulatorachse
12 um etwa 45° schräggestellt, wobei die Ablenkflächen 14 relativ zur Achse des Turbulators nach oben und
nach vorne und die Ablenkflächen 16 nach unten und nach vorne schräggesieüi sind. Der besseren Übersichtlichkeit
wegen ist in F i g. 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 Überbrückungsteile 18 ebenfalls um
45° schräggestellt ist, so daß seine Grundseite 23 der Turbulatorachse näher liegt als der Scheitel 24.
Gerade diese Ausbildung der Überbrückungsteile 18 und die Verbindung der Überbrückungsteile 18 mit den
Ablenkflächen 14 und 16 längs der Seiten 26 bewirkt die alternierende Abwinklung der Ablenkflächen 14 und 16,
wobei diese außerdem über das Flammrohr in diesem Falle unter einem Winkel von etwa 45° 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 Gesarntquerschnittfsfläche des Flammrohres. Mit einem Streifen der beschriebenen
Breite und einer Ablenkflächenschrägstellung von etwa
45° beträgt diese effektive Fläche etwa 20% der Gesamtquerschnittsfläche des Flammrohres (vgl.
F ig. 3).
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 31 85 143) 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
F i g. 5 dargestellt. Der hier eingesetzte Turbulator 12 ist im wesentlichen gleich aufgebaut wie der in den F i g. 1
bis 3 dargestellte.
ίο Der Schrägstellungwinkel der Ablenkflächen kann
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.
In Fig.6 sind drei Sektionen eines entsprechend angewandelten 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 XAb und 16/>
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 F i g. 6 gibt F i g. 4. Die F i g. 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 Schrägslellungswinkel der Flächen
14ö und 16Z> gegenüber den Ablenkflächen 14cund 16c
Es hat sich herausgestellt, daß der abgewandelte, in F i g. 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 F i g. 6
jeweils nur ein Ablenkflächenpaar 14, 16 in jeder der beiden Sektionen dargestellt ist, daß in der Praxis aber
eine Vielzahl von Abler.kflächen Hb, i6b rr.it 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (10)
1. Turbulator zum Einsetzen in eine Wärmetauscherleitung,
der aus einem länglichen, in eine Folge von alternierenden Ablenkflächen geformten Metalistreifen
besteht, weiche Ablenkflächen relativ zur Turbulatorachse abwechselnd nach oben und nach
unten schräggestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkflächen (14, 16)
zusätzlich gegenüber der Turbulatorachse abwechselnd nach der einen und nach der anderen Seite
schräggestellt und über im wesentlichen dreieckförmige,
gegenüber der Turbulatorachse versetzt angeordnete Überbrückungsteile (18) miteinander
verbunden sind.
2. Turbulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkflächen (14, 16; 14Z>, 16Z>;
14ς \6c) im wesentlichen unter einem rechten
Winke! gegeneinander abgewinkelt sind und gegenüber der Turbulatorachse alternierend um Winkel
zwischen 30 und 60° nach oben und unten schräggesiellt 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 dei 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 (146, 16b) der ersten
Gruppe einen Schrägstellungswinkel von 30°, die Wärmetauschflächen (14, 16) der zweiten Gruppe
einen Schrägstellungswinkel von 45° und die Ablenkflächen (14c, 16c) der dritten Gruppe einen
Schrägstellungswinkel von 1HWa 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. Turbulator nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis der dreieckförmigen
Überbrückungsteile (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,) gebildeten
Ebene herausgebogen ist, wobei die Ablenkfläche (14aJ derart dimensioniert ist, daß sie unter
Spannung an der Innenwand der Wärmetauschleitung anliegt
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