DE2728971A1

DE2728971A1 - Vorrichtung zur verbesserung des waermeueberganges in waermetauscher-rohren

Info

Publication number: DE2728971A1
Application number: DE19772728971
Authority: DE
Inventors: Janos Dipl Ing Bodas; Laszlo Dipl Ing Dr Forgo; Laszlo Dipl Ing Dr Heller; Istvan Dipl Ing Papp
Original assignee: Transelektro Magyar Villamossagi Kulkereskedelmi
Current assignee: Transelektro Magyar Villamossagi Kulkereskedelmi
Priority date: 1976-06-30
Filing date: 1977-06-28
Publication date: 1978-01-12
Also published as: DE2728971B2; HU173583B; UA5938A1; PL199242A1; US4265275A; SU1222207A3; CS192486B2; CH623128A5; DE2728971C3

Description

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TRANSELEKTRO Magyar Villamossägi Külkereskedelmi Vällalat 1394 Budapest, Münnich Ferend utca 13, Ungarn

Vorrichtung zur Verbesserung des Wärmeüberganges in Wärmetauscher-Rohren

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen einem Wärmetauscher-Rohr und einem darin strömenden Medium mittels an der Rohrinnenwand anliegender Rippen.

Es ist bekannt, daß bei aus Rohrbündeln bestehenden Wärmetauscher-Konstruktionen die Außen» oder Innenfläche der Rohre oder beide Flächen mit Wärmeübertragungsrippen zu versehen, um in Abhängigkeit von den Wärmeübertragungseigenschaften der am Wärmeaustausch beteiligten Medien die Rohre besser ausnutzen zu können. Diese Rippen über-

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mitteln die ihrerseits übergebenen oder übernommenen Wärmemengen durch Wärmeleitung zwischen den Wärmeträgermedien und der Außen- bzw. Innenfläche der Rohre. Selbstverständlich wird zwischen den Rippen und den Rohrflächen eine gute Wärmeleitverbindung angestrebt.

In der Praxis sind zahlreiche Wärmetauscherkonstruktionen bekannt, bei denen die Rohre an ihrer Außen- oder Innenfläche mit wärmezuführenden Rippen versehen sind. Beispielsweise werden Rohre hergestellt, die an der Innenfläche mit zur Rohr-Längsachse parallel verlaufenden Rippen versehen sind, so daß der innere Querschnitt in mehrere Teilbereiche untergliedert wird. Die derart ausgestalteten Rippen stehen mit der Rohrwand in inniger Verbindung, damit zwischen den Rippen und der Rohrwand eine gute Wärmeleitung vorliegt.

Der Nachteil dieser bekannten Konstruktionen besteht darin, daß der Reibungswiderstand der strömenden Medien beträchtlich erhöht wird, der Materialbedarf sehr zunimmt und außerdem in denjenigen Fällen, v/o im Laufe der Herstellung der Rohrdurchmesser durch Aufweiten erhöht wird, diese Konstruktion unmöglich ist oder die Anwendung des Verfahrens zumindest sehr erschwert wird.

Außerdem sind Lösungen bekannt, wo die Innenrippen aus Draht hergestellt werden, der im Rohrinneren in Form von Borsten oder Spiralfedern angelötet ist. Schließlich sind auch Innenrippen bekannt, die aus den vorerwähnten Drähten oder aus'schmalen Metalibändern bestehen und die in voller Länge in das Innere des Rohres eimje-

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setzt sich dank ihrer Elastizität und Gestaltung mit der Innenfläche des Rohres verstemmen. Die wichtigste Voraussetzung für die Wirksamkeit liegt hier darin, daß zwischen den Rippen und der Rohrinnenfläche eine gute Wärmeleitung sichergestellt ist. Dies kann durch das Zusammenlöten der Berührungspunkte· der Rippen mit den Rohren befriedigt werden, aber nur dann, wenn die Reinigung des Rohrinneren und die hierzu notwendige Entfernung und das anschließende Wiedereinbauen der Rippen nicht erforderlich ist. Besteht die Notwendigkeit einer mechanischen Reinigung im Rohrinneren, so kann die vorerwähnte Lötverbindung nicht verwendet werden.

Hiervon ausgehend liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Wärmeleitrippen zu verwenden, die auch bei solchen Rohren Anwendung finden können, deren Inneres von Zeit zu Zeit mechanisch gereinigt werden muß. Weiterhin soll eine gute wärmeleitende Verbindung zwischen den Rippen und der Rohrwandung sichergestellt sein und schließlich sollen die Rippen auch bei einer eventuellen Verstopfung keinesfalls durch den erhöhten Druck des Fördermediums aus den Rohren herausgedrückt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rippen aus zahlreichen in Achsrichtung des Rohres aufeinanderfolgenden und sich vom Rohrzentrum nach" außen erstreckenden Zähnen bestehen, die elastisch mit der Rohrwand verspannt sind, derart, daß eine Beanspruchung der Zähne in der einen Achsrichtung zu einer

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Verringerung, in der anderen Achsrichtung zu einer Erhöhung der radialen Verspannung führt. Dadurch können die Rippen durch elastische Deformation in die Rohre eingezogen werden und zugleich wird die Verschiebung der Rippen in einer der Einziehrichtung entgegengesetzten Richtung aufgrund ihrer selbstschließenden Gestaltung (Selbsthemmung) verhindert. Werden die Rippen in einer, der Strömungsrichtung des strömenden Mediums entgegengesetzten Richtung in das Rohr eingezogen, so können die Rippen nicht mehr durch das Strömungsmedium verschoben werden, sondern werden vielmehr verstärkt gegen die Rohrwandung gepreßt. Hierdurch wird nicht nur die Verschiebung der Rippen blockiert, sondern vor allem auch ihr Kontakt mit der Rohrwand erhöht, so daß sich ein besonders guter Wärmeübergang einstellt.

Die erwünschte Verschiebbarkeit des Rippen in der einen Richtung und die Selbsthemmung in der anderen Richtung kann auf verschiedene Weise herbeigeführt werden. So können die Rippen beispielsweise zunächst annähernd radial nach außen zur Rohrwand laufen und dort mit einem einseitig etwa axial laufendenden Steg anliegen. Werden zwei derartige Rippen einander gegenüberliegend angeordnet, so daß sie sich radial mit der Rohrwand verspannen, so führt eine Krafteinwirkung entgegen der Abzweigrichtung der Stege im gesamten Außenbereich der Rippen zu einer Verringerung ihrer radialen Erstreckung. Die Rippen können also in dieser Richtung in das Rohr eingeschoben werden. Bei entgegengesetzter Kräfteinwirkung werden hingegen die Enden der Stege gespreitzt, wodurch sich deren Anpressung

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im Sinne der erwünschten Selbsthemmung erhöht:

Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn die nach außen laufenden Zähne mit der Rohrachse einen spitzen Winkel einschließen. Sie können im entspannten Zustand eine den Rohrinnendurchmesser überschreitende Bandmitte aufweisen. Die beim Einziehen der Zähne in das Rohr stattfindende radiale Pressung führt zu einer Verringerung des Winkels zwischen den Zähnen und der Rohrachse und/oder zu einer elastischen Verformung der Zähne derart, daß diese nicht mehr längs einer Radialebene nach außen laufen, sondern aus einer solchen Radialebene herausgewölbt sind.

Die äußeren Enden der Zähne sind zweckmäßioerweise mit sich der Rohrwand anpassenden Fußteilen versehen, um ihre Kontaktfläche und damit den Wärmeübergang zu erhöhen.

Im Sinn einer kostencrünstiaen Serienproduktion der Rippen ist es zweckmäßig, wenn sie von einem parallel zu Rohrachse laufenden Streifen oder Draht ausgehen. So können sie insbesondere durch beidseitige Querschlitzung eines Metallstreifens hergestellt werden.

Allen Ausführungsvarianten ist gemeinsam, daß sie die unvermeidlichen Fertigungstoleranzen des Wärmetauscherrohres einerseits und ihrer eigenen Radialerstreckung andererseits ausgleichen, in dem sie sich radial gegen die Rohrwand verstemmen. Zugleich ist durch die in

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Achsrichtung des Rohres asymmetrische Ausbildung der Rippen sicher gestellt, daß sie bei Kraftbeaufschlagung in der einen Richtung ihre Radialerstreckung verringern, so daß sie einfach in das Rohr eingeschoben werden können, wohingegen sie sich bei Krafteinwirkung in der anderen Achsrichtung aufweiten und vom Druck des strömenden Mediums verstärkt an die Rohrwand angepreßt werden. Letzteres gewährleistet nicht nur einen guten Halt der Rippen, selbst bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten oder zähflüssigen Fördermedien, sondern verbessert auch die Wärmeübergabe von der Rippe auf die Rohrwand bzw. umgekehrt.

Bei Krafteinwirkung in der Einzugsrichtung der Rippen, also entgegen der Strömungsrichtung des Mediums, kann die radiale Anpressung der Rippen jederzeit wieder soweit herabgesetzt werden, daß sie sich aus dem Rohr herausziehen lassen, so daß die Rohrinnenwand für die mechanische Reinigung zugänglich wird.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen; dabei zeigt:

Fig. 1 die Seitentansicht eines aufgeschnittenen

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Rohres mit den erfindungsgemäßen Rippen;

Fig.1a die Draufsicht auf den Rohrquerschnitt bei der Anordnung gemäß Figur 1;

Fig. 2 die Draufsicht auf einen Rohrquerschnitt bei Verwendung von Rippen mit abgewinkelten Fußteilen;

Fig. 3 die Draufsicht auf einen Rohrquerschnitt

bei Verwendung zweier identischer RiPDen-

streifen:
Fia. 4 die Draufsicht auf einen Rohrauerschnitt.

dessen Rippen unter Bilduna einer Wölbuna

nach außen laufen;

Fig. 5 die Seitenansicht eines aufgeschnittenen Rohres, dessen axialaufeinanderfolqende Zähne schraubengangartig verdreht sind und

Fiq. 6 die Seitenansicht eines aufgeschnittenen Rohres, dessen Rippen durch Drähte gebildet sind.

Die Rohre der Wärmetauscher, in welche bei Verwendung bestimmter Strömunqsmedien Innenrippen zur Verbesserung des Wärmeübergangs einzusetzen sind, weisen infolge unvermeidlicher Fertigungstoleranzen nicht immer eine exaJcte Kreisform auf und sind auch nicht vollkommen gerade. Im Sinne einer leichten Herstellbarkeit werden die Rippen aus schmalen Streifen hergestellt, deren Geradheit, Breite usw., ebenfalls infolge unvermeidlicher Produktionsungenauigkeiten, nicht vollkommen sind. Wird nun in ein

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nicht absolut genaues Rohr eine nicht volkommen genaue Innenrippe eingesetzt, so wird die Rippe nur an einzelnen Punkten mit der Rohrinnenfläche in Berührung kommen, wodurch die, vom Standpunkt der Wärmeübergabe her äußerst wichtige wärmeleitende Verbindung ebenfalls sehr unvollkommen wird.

Die befriedigende Berührung zwischen den Rippen und der Rohrwand wird im Sinne der Erfindung unter Anwendung der Rippengestaltung gemäß Figur 1 derart gelöst, daS die aus dem schmalen Streifen aus Blech oder dergleichen hergestellte Rippe 1 von mit der Streifenlängsachse einen bestimmten Winkel einschließenden Einschnitten unterbrochen wird, sodaß die beiden Ränder der Rippe durch aufeinanderfolgende Zähne 3 gebildet werden. Mit Rücksicht darauf, daß diese Zähne elastisch ausgestaltet sind, werden die bei der Produktion entstehenden Ungenauigkeiten der Rohre 4 und der Rippen 1 überbrückt und ein sicheres Anliegen auf die Innenfläche der Rohre sichergestellt. Um die wärmeleitende Verbindung verbessern zu können, werden die Enden der Zähne 3 mit einem breiteren Fußteil versehen, sodaß die zur Wärmeleitung verfügbare Fläche auf das Mehrfache erhöht wird.

Die in Figur 1 dargestellt Rippe 1 kann in Richtung des Pfeiles 6 leicht in das Innere des Rohre hineingezogen werden. Durch die Gestaltung der Zähne mit einem stellen Winkel wird die Bewegung der Rippen in einer der Einziehrichtung entgegengesetzten Richtung verhindert. Der Wärmetauscher ist in'der Weise zu betreiben.

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daß das in dem Rohr strömende Medium dem Pfeil 6 entgegengesetzt strömt, wodurch die im Rohrinneren vorhandenen Rippen 1 nicht aufgrund der Strömung verrutschen können.

Es ist offensichtlich, daß infolge der bereits erwähnten Produktionsungenauigkeiten theoretisch auch die Fußteile 5 der Zähne 3 nur in je einem Punkt mit der Rohrinnenfläche in Berührung kommen können. Zwischen dem übrigen Teil der Fußteile 5 und der Rohrfläche entsteht eine schmale, etwa einige Hundertstel oder Tausendstel Millimeter breite Spalte, die von dem strömenden Medium ausgefüllt wird. In dieser schmalen Spalte findet daher die Wärmeleitung zwischen den Zähnen und dem Rohr durch Vermittlung des strömenden Mediums statt. Da nun die meisten der in der Praxis zur Anwendung kommenden Medien eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen und eben bei diesen die Notwendigkeit zum Einbau der beschriebenen Innenrippen besteht, müssen die Fußteile 5 der Zähne 3 verhältnismäßig groß dimensioniert werden.

Um die Wärmeübertragung innerhalb der Rohre weiter zu erhöhen, wird zweckmäßigerweise das zum Einziehen der Rippen dienende Werkzeug während des Einziehvorganges langsam gedreht, sodaß die Rippen um die Rohrlängsachse herum wendeltreppenförmig versetzt werden. Sie liegen dann in Strömungsrichtung des Mediums nicht genau hintereinander, sondern unter einem gewissen Winkel gegeneinander verdreht, wie dies aus Figur 1a folgt.

In Figur 2 ist eine ebenfalls aus Streifen hergestellte Rippe gezeigt, bei der die Enden der Zähne 3 an dem mit

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dem Rohr in Berührung kommenden Teil eingebogen sind, damit zur Sicherung der Wärmeleitung zwischen den Fußteilen 5 und dem Rohr 4 eine besonders große Kontaktfläche entsteht. Auch bei dieser Rippengestaltung wird durch das langsame Drehen des Einziehwerkzeuges während des Einziehens der Rippen ein wendeiförmiger Verlauf erzielt. Dieser Verlauf erhöht im übriqen auch den Turbulenzgrad der Strömung, das heißt, der Austausch zwischen dem Kern und der Randschicht der Strömung wird intensiviert, was wiederum eine Erhöhuna der Wärmeübertragung mit sich bringt.

In Figur 3 ist einne innere Verrippung dargestellt, die durch das Verbiegen der nach Figur 1 dargestellten Rippen hergestellt werden kann. Hier werden durch Pressen zwei identische Rippen der Figur 1 gemäß hergestellt, wonach die eine der beiden Rippen auf die Form 1, die andere auf die Form 1a verbogen wird. Die solcher Art hergestellten, unterschiedlichen beiden Rippen werden, wie in Figur 3 dargestellt, zusammengepaßt und in das Rohr eingezogen, wodurch nicht nur die Fläche der Innenrippen erhöht, sondern auch die Zahl der Fußteile 5 verdoppelt wird.

In Figur 4 wird der Querschnitt eines Rohres dargestellt, in dem eine aus Streifen verfertigte elastische Rippe 1 eingesetzt ist, deren Elastizität durch das dargestellte Profil erhöht wird. Bei dieser Rippengestaltung wird der Krümmungsradius R, des Fußteils 5 so gewählt, daß dieser den Krümmungsradius R des Rohres überschreitet, so daß nach erfolgtem Einbringen in das Rohr der Fußteil 5 infolqe der elastischen

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Deformation mit guter Anpressung an der Rohrinnenfläche anliegt. Die übrige Krümmung unterstützt die radiale Spreizbewegung.

Tn Figur 5 ist eine Lösung dargestellt, bei der die Zähne 3 der inneren Rippe ohne Abfall hergestellt werden. Auch in diesem Fall ist das Anliegen der Fußteile 5 auf der Innenfläche des Rohres 4 durch die Elastizität der Zähne 3 sichergestellt. Diese Elastizität kann wie gesagt durch die Schrägstellung der Zähne und/oder durch ihren gewölbten Verlauf gemäß Figur 4 erzielt werden.

Figur 6 verdeutlicht Innenrippen, die aus Draht hergestellt sind. Bei dieser Lösung werden die aus dünnem Draht bestehenden Rippen 8 von den, in der Mittellinie des Rohres 4 entlanglaufenden Leitdrähten 7 getragen. Die miteinander zweckmäßigerweise verseilten Leitdrähte 7 halten die Rippendrähte 8 in ihrer Position. Durch die Verseilung der Leitdrähte sind die Rippendrähte im Inneren des Rohres 4 nicht nacheinander, sondern wendeltreppenförmig gegeneinander verdreht. Da auch hier" die gute Wärmeleitfähigkeit zwischen den Drahtenden und der Rohrwand von äußerster Wichtigkeit ist, können die Drahtenden der Ausführungsform mit dem Bezugszeichen 9 gemäß mit einer vergrößerten Berührungsfläche ausgestaltet werden.

Zusammenfassend besteht der Vorteil der Erfindung darin, daß man eine einfach herzustellende Rippe erhält, die in fertige Rohre nachträglich eingezogen und auch wieder entfernt werden kann und die bei Druckbeaufschlagung durch das Strömungsmedium eine erhöhte An-

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preßung auf die Rohrwand ausübt, dadurch den Wärmeübergang verbessert und vom Strömungsmedium nicht verschoben werden kann.

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Leerseite

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Claims

Patentanwälte

Dipl.-Ing. R- Lerne!»

Dr.-Ing. ΐ i.-J. C ^nrr.a

75 Karlsrüiie 1

Patentansprüche

.j Vorrichtung zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen einem Wärmetauscher-Rohr und einem darin strömenden Medium mittels an der Rohrinnenwand anliegender Rippen,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Rippen aus zahlreichen, in Achsrichtung des Rohres aufeinanderfolgenden und sich vom Rohrzentrum nach außen erstreckenden Zähnen (3) bestehen, die elastisch mit der Rohrwand verspannt sind, derart, daß eine Beanspruchung der Zähne (3) in der einen Achsrichtung zu einer Verringerung, in der anderen Achsrichtung zu einer Erhöhung der radialen Verspannung führt.
2. Vorrichtung nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (3) einen spitzen Winkel mit der Rohrachse einschließen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (3) in entspanntem Zustand eine den Rohrinnendurchmesser überschreitende Weite aufweisen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

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ORIGINAL INSPECTED

dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Enden der Zähne mit sich der Rohrwand anpassenden Fußteilen (5) ausgestaltet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (3) von einem parallel zur Rohrachse laufenden Streifen (1) oder Draht (7) ausgehen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne durch beidseitige Querschlitzung eines Metallstreifens (1) hergestellt sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne (3) an zwei benachbarten Streifen (1, 1a) angeordnet sind, die längs der Rohrachse verlaufen und durch die Zähne (3) miteinander verstemmt sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne aus Draht (8. 9) bestehen, mit der Rohrachse einen schräaen Winkel einschließen und unter Zuhilfenahme eines, aus demselben Draht verseilten Leitdrahtes (7) in ihrer Position aehalten sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichent, daß zwecks Erhöhung der Kontaktflächen beide Enden der einzelnen Drähte (9) in einer, mit der Innenfläche des Rohres parallelen Richtung verbogen sind.

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10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß axial aufeinanderfolgende Zähne in Rohrumfangsrichtung gegeneinander versetzt werden.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß axial aufeinanderfolgende Zähne derart gegeneinander versetzt sind, daß ihre Berührpunkte an der Rohrwand auf schraubengangförmigen Linien liegen.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne vom Zentrum aus zunächst in einer Radialebene nach außen laufen bis zur Rohrwand und dort Fußteile aufweisen, die sich in nur einer Achsrichtung längs der Rohrwand erstrecken.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne innerhalb der Radialebene mit einem Bogen nach außen laufen.

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