DE2755521A1

DE2755521A1 - Waermeuebertragungsrohr und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2755521A1
Application number: DE19772755521
Authority: DE
Inventors: Jack Seymour Yampolsky
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: GA Technologies Inc
Priority date: 1976-12-15
Filing date: 1977-12-13
Publication date: 1978-06-22
Also published as: JPS6213377U; FR2374610B1; FR2374610A1; JPS5375558A; CH626986A5

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Weickmann, DiPL₁-PhYS. Dr.It.

SPMY Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

Dr.-Ing.H.Liska

t MÜNCHEN «6, DEN J 3. ΟβΖ,

G 1083 POSTFACH «60S20

MDHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 9S 39 21/22

GENERAL ATOMIC COMPANY 10955 John Jay Hopkins Drive, San Diego, California, V.St.A.

Wärmeübertragungsrohr und Verfahren zu dessen Herstellung

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ORIGINAL INSPECTED

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr zur Verwendung in einem Wärmeaustauscher sowie ein Verfahren zur Herstellung des Wärmeübertragungsrohrs.

Die Übertragung von Wärme in Wärmeaustauschern durch den Gebrauch von Wärmeübertragungs- oder -austauschrohren hat eine weitverbreitete Anwendung in allen Industriezweigen gefunden, insbesondere in der Verfahrens- und Stromerzeugungsindustrie. Da die Energie- und Kapitalkosten zugenommen haben, ist das Erfordernis zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit bzw. des Wirkungsgrades von Wärmeübertragungsoberflächen und der Einrichtungen, mit denen Wärmeübertragungsrohre hergestellt werden, von großer Wichtigkeit geworden. Da die Kosten von Wärmeaustauschern, in denen Wärmeübertragungsrohre verwendet werden, von der Anzahl der Rohre und den Kosten der Rohranordnung abhängen, ist es in hohem Maße wünschenswert, daß sowohl die Menge an erforderlichen Rohren herabgesetzt wird als auch wirtschaftlichere Einrichtungen zur Herstellung der Rohre zur Verfügung gestellt werden. Da weiterhin die Temperatur der Rohrwand durch die Oberflächenwärmeübertragungskoeffizienten auf bzw. an den innen- und außenseitigen Oberflächen der Rohrwand bei gegebenen Strömungsbedingungen bestimmt ist, führt eine vorzugsweise Kontrolle bzw. Steuerung über einen oder beide dieser Koeffizienten zu einem gewissen Maß der Steuerung der Rohrwandtemperatur. Diese Steuerung kann dazu angewandt werden, entweder die Temperatur von einer der Prozeßströmungen zu erhöhen oder herabzusetzen, d.h. entweder die Temperatur der inneren Strömung durch die Rohre oder der äußeren Strömung über die äußeren Oberflächen der Rohre, und zwar für eine gegebene Rohrwandtemperatur; oder diese Steuerung kann dazu angewandt werden, die Rohrwandtemperatur für spezielle Prozeßstromtemperaturen herabzusetzen.

Mit der Erfindung soll ein verbessertes Wärmeübertragungsrohr zur Verfügung gestellt werden, das zu einer ver-

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besserten Wärmeübertragung führt, wenn es in einem Wärmeaustauscher angewandt wird.

Gemäß der Erfindung wird ein Wärmeübertragungsrohr für die Verwendung in einem Wärmeaustauscher zur Verfügung gestellt, dessen Rohrwand eine Mehrzahl von inneren und äußeren Auskehlungen, Nuten, Riefen, Rinnen, Rippen, Kannelierungen, Ausnehmungen oder dergl. (hierfür wird nachstehend zusammenfassend der Begriff "Rippen" verwendet) für die Strömung von Wärmeaustauschströmungsmitteln längs derselben hat, wobei sich die Rippen entlang der longitudinalen bzw. in Längsrichtung verlaufenden Länge des Rohrs erstrecken, von gleichförmiger Konfiguration sind und interne bzw.innere und äußere, spiralförmige Täler und Berge begrenzen bzw. definieren.

Die Erfindung umfaßt außerdem ein Verfahren zur Herstellung des Wärmeaustauschrohrs, wobei dieses Verfahren die folgenden Verfahrensschritte umfaßt: Ausbilden der entgegengesetzten Oberflächen eines Streifens von Material, das eine größere longitudinale bzw. in Längsrichtung verlaufende Länge als Querbreite hat, zu welligen Oberflächen über die Querbreite des Streifens, wobei die welligen Oberflächen Rippen definieren, die sich in Längsrichtung des Streifens erstrecken sowie Berge und Täler haben; Ausbilden des gerippten Streifens zu einer Rohrkonfiguration durch spiraliges Wickeln des Streifens um eine Achse, wobei die seitlichen Ränder des Streifens in Anlagebeziehung miteinander sind bzw. gelangen; und Befestigen der aneinander anliegenden, seitlichen Ränder des spiralig gewundenen Streifens in strömungsmitteldienter Beziehung, insbesondere aneinander.

In Übereinstimmung mit dem Wärmeübertragungsrohr der vorliegenden Erfindung wird der Strömungsmittelfluß sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite des Wärmeübertragungsrohrs zum Wirbeln gebracht. Im einzelnen ergibt sich eine Wirbelströmung auf der Innenseite des Rohrs durch die

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Wechselwirkung zwischen der Strömung innerhalb der Rippen und der mittigen Kernströmung. Die Strömung innerhalb der Rippen wird durch die Rippenoberflächen zwangsläufig so geführt, daß sie einem spiralförmigen Weg folgt, der eine Sekundärströmung längs der Oberflächen der Rippe erzeugt, die normal bzw. senkrecht zu dem spiralförmigen Durchfluß innerhalb der Rippe ist. Diese Sekundärströmung wird durch die Wärmeübertragung von der Wand höherer Temperatur zu der Rippenoberfläche verstärkt, da das Strömungsmittel, welches vom Kern in die Rippe eintritt, eine niedrigere Temperatur und eine höhere Dichte als die Strömung hat, welche die Rippe verläßt. Da diese spiralförmige Rippenströmung als Folge dieser Sekundärströmung eine Dreh- bzw. Rotationskomponente hat, kann die Hauptkernströmung so angesehen werden, als sei sie von einer Reihe von kreisenden bzw. wirbelnden Strömen innerhalb der Rippen begrenzt, die außerdem eine Rotation in dem Hauptströmungskern bzw. in der Hauptkernströmung erzeugen. Es besteht ein Energie- und Momentenaustausch über die Oberfläche an der Grenze der beiden Strömungen, eine Erwärmung der Kernströmung und ein Einstellen bzw. ein Ausrichten des Strömungsmittels in Rotation bzw. zu dessen Rotation. Da es keine Grenze innerhalb des Strömungsmittels gibt, durch welche diese Rotation behindert wird, ergibt sich eine Strömungsverteilung, die gleichartig bzw. ähnlich wie eine freie Turbulenz bzw. ein freier Wirbel ist, die bzw. der nur durch die Turbulenzeigenschaften des Strömungsmittels gehemmt bzw. behindert wird. Auf der Außenseite des Rohrs ist der Hechanismus gleichartig bzw. ähnlich wie derjenige auf der Innenseite, da die Wärmeströmung bewirkt, daß die Dichte des Strömungsmittels auf der Außenseite des Rohrs abnimmt. Das Wärmeübertragungsrohr weist ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften gegenüber glatten, zylindrischen Rohren auf, und zwar deswegen, weil eine größere Wärmeübertragungsoberfläche durch die Vorsprünge in den Hauptströmungsmittelfluß durch das Rohr erzeugt wird, so daß die Wärmeübertragungsoberflache ver-

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größert wird, sowie wegen der Sekundärströmung, die durch den spiralförmigen Fluß innerhalb der Rippen hervorgerufen wird. Die wirbelnde Strömung erhöht die Wärmeübertragung durch Erhöhung der Weglänge der Strömung und der Geschwindigkeit eines Strömungsmittelelements in der Nähe der Wand, und sie führt ein auf das Strömungsmittel einwirkendes Zentrifugalkraftfeld ein, das als eine Körperkraft bzw. eine körperliche Kraft wirkt, welche die Wärmeübertragung innerhalb des Rohrs bzw. an der Innenseite des Rohrs erhöht, wenn die Wand heißer als das Strömungsmittel ist, und welche die Wärmeübertragung außerhalb des Rohrs bzw. an der Außenseite des Rohrs erhöht, wenn die Rohrwand kälter als das Strömungsmittel ist, das um das Rohr rotiert. Das auf das Strömungsmittel einwirkende, erzeugte Zentrifugalkraftfeld bewirkt eine kontinuierliche Ergänzung des Strömungsmittels in der Nähe der inneren Oberfläche der Wand.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, in den Fig. 1 bis 5 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise Aufrißansicht eines Wärmeübertragungsrohrs gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Streifens aus metallischem Material, das mit in Längsrichtung verlaufenden Rippen ausgebildet ist und aus dem das Wärmeübertragungsrohr der Fig. 1 ausgebildet ist;

Fig. 2a eine teilweise Querschnittsansicht längs der Linie 2a-2a der Fig. 2;

Fig. 2b eine teilweise Querschnittsansicht, die gleichartig bzw. ähnlich wie diejenige der Fig. 2a ist, jedoch eine alternative Ausführungsform einer gerippten, metallischen, dünnen Platte zur Verwendung in dem Wärmeübertragungsrohr nach Fig. 1 veranschaulicht;

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Fig. 3 eine teilweise Aufsicht, welche die Einrichtung schematisch veranschaulicht, mit der der gerippte Streifen der Fig. 2 zu einem spiralig gewickelten Rohr zum Zwecke des Ausbildens eines Wärmeübertragungsrohrs der Fig. 1 geformt wird;

Fig. 4 eine schematische End- bzw. Stirnansicht der Rohrausbildungseinrichtung der Fig. 3; und

Fig. 5 eine Kurvendarstellung, welche die Temperaturen einer Wärmeübertragungsrohrwand, den Strömungsmittelfluß im Inneren durch das Rohr und den Strömungsmittelfluß außerhalb über das Rohr als eine Funktion der Länge längs eines Rohrs für ein Wärmeübertragungsrohr gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit einem geradzylindrischen Rohraufbau wiedergibt.

Es sei nun im einzelnen auf Fig. 1 Bezug genommen, wonach ein Wärmeübertragungsrohr 10 eine Umfangswand hat, die eine Mehrzahl von spiral- bzw. schraubenförmigen Rippen 12 definiert bzw. begrenzt, so daß abwechselnde Täler und Berge ausgebildet werden, wie bei 14a bzw. 16a angedeutet ist, wenn man das Rohr 10 von außen betrachtet, und wie bei 14b und 16b angedeutet ist, wenn man das Rohr 10 von innen betrachtet. Um die maximale mittlere Wanddicke der Rohrwand aufrechtzuerhalten, sind die Täler der einen Oberfläche, wie z. B. der äußeren Oberfläche, vorzugsweise gegenüber den Bergen der anderen Oberfläche, d.h. der inneren Oberfläche, angeordnet, und umgekehrt.

Wie aus den Fig. 2 und 2a hervorgeht, wird das dargestellte Wärmeübertragungsrohr 10 von einem anfänglich flachen Streifen oder einer anfänglich flachen, dünnen Platte aus geeignetem metallischem Wärmeübertragungsmaterial, wie z.B. Stahl, Aluminium u.a., hergestellt, der bzw. die bei 20 dargestellt ist, und dieser Streifen bzw. diese dünne Platte hat eine im wesentlichen gleichförmige Dicke und eine im we-

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sentlichen größere, in Längsrichtung verlaufende bzw. longitudinale Länge als die Querbreite ist. Der flache, metallische Streifen 20 ist auf seinen entgegengesetzten Oberflächen mittels bekannter Einrichtungen deformiert, z.B. mittels gegenüberliegender Konturwalzen (nicht dargestellt), zwischen denen der Streifen hindurchgeführt wird, so daß die sich in Längsrichtung bzw. longitudinal erstreckenden Rippen 12 in den entgegengesetzten Oberflächen ausgebildet werden. Es können auch andere Herstellungs- bzw. Bearbeitungsverfahren angewandt werden, wie z.B. Spritzguß, Extrusion oder dergl., um die Rippen 12 auszubilden. Die Rippen 12 erstrecken sich über die volle Querbreite des Streifens und bilden infolgedessen die spiralförmigen Rippen 12 auf dem Wärmeübertragungsrohr 10. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die entgegengesetzten Oberflächen des metallischen Streifens ausgeweitet, so daß sie sinuswellenförmige Bogen begrenzen bzw. definieren, wenn man sie im Querschnitt betrachtet, wie in Fig. 2a angedeutet ist. Die longitudinalen Rippen in den entgegengesetzten Oberflächen des metallischen Streifens 20 können auch durch andere Oberflächenkonfigurationen als die dargestellten sinuswellenförmigen Bogen begrenzt werden. Beispielsweise können die Rippen durch sich in Längsrichtung erstreckende, rechteckige Rippen hergestellt sein.

Die innersten Oberflächenelemente, welche die Täler in den entgegengesetzten, gerippten Oberflächen in dem Streifen 20 bilden, wie z.B. die Elemente 14a und 14b, sind vorzugsweise durch eine Dicke des Grundmaterials voneinander getrennt, wie die Dicke, die bei "b" in Fig. 2a angedeutet ist. Die Dicke des Grundmaterials ist gleichförmig um den Umfang des ausgebildeten Rohrs 10. Auf diese Weise ist der mit Rippen versehene Streifen nicht nur ein gewellter Streifen. Dadurch, daß die Täler 14a und 14b in den entgegengesetzten Oberflächen des Streifens 20 durch eine Dicke des Basismaterials voneinander getrennt werden, behält das Rohr, das aus den gerippten

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Streifen hergestellt ist, die Fähigkeit, sowohl inneren als auch äußeren Drucken zu widerstehen, ohne daß die Wände großen Biegebelastungen ausgesetzt werden; die Rohrwand würde zu einer Deformation neigen, wenn das Rohr aus einer dünnwandigen, gewellten, dünnen Platte hergestellt sein würde, wie bisher für Wärmeaustauscherrohre verwendet. Ein Beispiel einer Biegebelastung, die auf eine Wand 14c wirkt, ist durch den Kraftvektor 18 in Fig. 2a angedeutet.

Obwohl die Ebenen, welche die innersten Oberflächenelemente der Täler 14a und 14b in den entgegengesetzten Ober flächen des gerippten Streifens 20 enthalten, vorzugsweise im Abstand voneinander angeordnet sind, wie Fig. 2a zeigt, kann in Abhängigkeit von dem speziellen Anwendungsfall auch eine zufriedenstellende Leistung erzielt werden, wenn diese Ebenen im wesentlichen koplanar sind bzw. im wesentlichen miteinander zusammenfallen, wie in Fig. 2b veranschaulicht ist. Wie die Fig. 2b zeigt, kann sich die Dimension b in Fig. 2a dem Wert Null nähern (oder diesen Wert sogar erreichen).

Das Rohr 10 kann aus Jedem geeigneten metallischen Wärmeübertragungsmaterial hergestellt werden; Beispiele umfassen 12% Chrom-Legierungsstahl, wie es z.B. die rostfreien Stähle der Typen 420 oder 422 sind, oder die rostfreien Stähle der Typenreihe 300, Titan und Aluminium. Der metallische Streifen 20 kann eine Dicke von z.B. etwa 1,65 bis 3 mm besitzen und eine geeignete Querbreite, wie etwa 6,5 cm, haben, um nachfolgend zu einem Rohr geformt zu werden, das einen Durchmesser von etwa 19 bis 25,4 mm besitzt. Eine Dicke von etwa 1,1 mm kann z.B. in den Fällen angewandt werden, in denen das Rohr 10 einen Durchmesser von etwa 12,7 mm haben soll.

Wenn man den gerippten metallischen Streifen 20 zum Wärmeübertragungsrohr 10 formt, dann wird der Streifen dadurch geformt, daß man ihn spiralförmig um eine Achse wickelt, und

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zwar zu einer spiralförmig gewickelten Rohrkonfiguration, und so, daß die Seitenkanten des Streifens, die in Fig. 2 bei 22 und 24 angedeutet sind, in aneinanderliegende Beziehung kommen, woraufhin die aneinander anliegenden Seitenkanten in einer strömungsmitteldichten Beziehung befestigt, insbesondere aneinander befestigt werden. Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen schematisch eine Art einer Apparatur, die allgemein mit 30 bezeichnet ist und dazu dient, den in Längsrichtung gerippten,metallischen Streifen schraubenförmig oder spiralförmig um eine Achse zu wickeln bzw. zu formen, so daß das Wärmeübertragungsrohr 10 ausgebildet wird. Die Apparatur 30 besitze einen zylindrischen Dorn 32, um den herum drei drehbare Rollen angeordnet sind. Die Rollen umfassen eine erste Rolle 34, die eine untere Halterolle bzw. eine Bodenhalterolle umfaßt bzw. ist, sowie eine zweite, seitliche Halterolle 36 bzw. eine Seitenhalterolle, die einen kleineren Durchmesser hat, und eine dritte Formungsrolle 38, welche einen größeren Durchmesser als die Rollen 34 und 36 hat und so angeordnet ist, daß sie den Dorn 32 auf dessen der unteren Halterolle 34 entgegengesetzten Seite überlagert bzw. an dieser Stelle über dem Dorn liegt. Die untere Halterolle 34- und die seitliche Halterolle 36 haben allgemein zylindrische Umfangsoberflachen und dienen dazu, mit der Umfangsoberflache des Dorns 32 in Eingriff zu treten und sie bzw. ihn in abgestützter bzw. gehaltener Beziehung in der Nähe der Formungsrolle 38 zu halten. Die Formungsrolle 38 hat eine Umfangsoberf lache, welche ein Oberflächenprofil besitzt, das der Oberflächenkonfiguration der Rippen 12 des metallischen Streifens 20 entspricht, so daß sie der Oberfläche des gerippten, metallischen Streifens angepaßt ist, während der Streifen spiralig zu dem Wärmeübertragungsrohr 10 geformt bzw. ausgebildet wird. Beispielsweise kann der Dorn 32 mit einer spiralförmigen Sinuswellen-Oberflächenkonfiguration versehen sein, damit er der gegenüberliegenden Oberfläche des gerippten Streifens 20 angepaßt bzw. formengleich ist, wenn der Strei-

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fen zu dem Rohr 10 geformt wird. Die Halterollen 34 und 36 sowie die Formungsrolle 38 sind so gelagert, daß sie sich um Achsen drehen, die winklig relativ zur Achse des zylindrischen Doms 32 vorgesehen sind, wie an sich bekannt.

Beim Betrieb wird ein Streifen von vorgeformtem, geripptem, metallischem Streifen 20, dessen Rippen durch Konturwalzung darin ausgebildet worden sind, zwischen die Formungsrolle 38 und den Dorn 32 tangential zu den Umfangsoberflachen des Doms 32 und der Formungsrolle 38 eingespeist, und zwar in einer Richtung, die senkrecht zu einer Vertikalebene verläuft, welche die Rotationsachse der Formungsrolle 38 enthält. Die Formungsapparatur 30 arbeitet so, daß sie den Streifen 20 zu einer spiral- bzw. schraubenförmig gewickelten, rohrförmigen Konfiguration formt, bei der sich die Seitenkanten 22 und 24 in Anlagebeziehung befinden. Danach werden die Seitenkanten des spiral- bzw. schraubenförmig gewickelten Streifens 20 durch irgendeine bekannte Schweißtechnik, einschließlich Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißung, strömungsmitteldicht aneinander befestigt. Die Oberflächenausdehnungen bzw. -Weitungen oder Rippen 12, die ursprünglich in Längsrichtung des Streifens 20 vor der Spiralformung verliefen, bilden nun eine kontinuierliche, spiralförmige oder schraubenförmige, gerippte Oberfläche sowohl auf der Innenais auch auf der Außenseite des Rohrs 10.

Beim Formen des Wärmeübertragungsrohrs 10 wird der metallische Streifen 20 vorzugsweise so geformt, daß er einen Spiral- bzw. Schraubenwinkel zwischen etwa 30 und 70° bildet, wobei dieser Spiral- bzw. Schraubenwinkel der Winkel ist, der von der Achse des Rohrs und einer Ebene eingeschlossen wird, welche die Achse des Rohrs schneidet und tangential zu einer Stelle auf der Linie von aneinander anliegenden Seitenkanten des gewickelten Streifens ist. In Fig. 1 ist der Spiral- bzw. Schraubenwinkel durch den griechischen Buchstaben phi angedeutet.

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Das Rohr 10 wird so ausgebildet bzw. geformt, daß die spiralförmigen Rippen eine genügende Abmessung haben, damit sie einen Strömungsmittelfluß sowohl auf der innenseitigen als auch auf der außenseitigen Oberfläche des Rohrs bewirken, der einem Zentrifugalkraftfeld ausgesetzt ist, das kontinuierlich so wirkt, daß es das Strömungsmittel in der Nähe der Oberflächen des Rohrs ergänzt, wenn die Richtung des Wärmeflusses radial nach einwärts relativ zu der Längsachse des Rohrs verläuft. Auf der Innenseite des Rohrs ergibt sich eine Wirbelungsströmung aus der Wechselwirkung zwischen der Strömung innerhalb der Rippen und der mittigen Kernströmung. Die Strömung innerhalb der Rippen wird durch die Rippenoberflächen gezwungen, einem spiralförmigen Weg zu folgen, der eine Sekundärströmung längs der Oberflächen der Rippe normal bzw. senkrecht zu dem spiralförmigen Durchfluß innerhalb der Rippe hervorruft bzw. induziert. Diese Sekundärströmung wird durch die Wärmeübertragung von der Wand höherer Temperatur zu der Rippenoberfläche verstärkt, da das Strömungsmittel, welches vom Kern in die Rippe eintritt, eine niedrigere Temperatur und eine höhere Dichte als die Strömung hat, welche die Rippe verläßt. Da diese spiralförmige Rippenströmung infolge der erwähnten Sekundärströmung eine Rotationskomponente hat, kann die Haupt-Kernströmung so angesehen werden, als sei sie von einer Reihe von Wirbelströmungen innerhalb der Rippen begrenzt, welche weiterhin eine Rotation auf die Haupt*Kernströmung übertragen bzw. bei der Haupt-Kernströmung hervorrufen. Es ist ein Energie- und Momentenaustausch über die Oberfläche der Grenze der beiden Strömungen, eine Erwärmung der Kernströmung und ein In-Rotation-Versetzen der Strömung vorhanden. Da innerhalb des Strömungsmittels keine Grenze vorhanden ist, welche diese Rotation behindert, ergibt sich eine Strömungsverteilung, die gleichartig bzw. ähnlich wie ein freier Wirbel bzw. eine freie Turbulenz ist, und die nur durch die Turbulenzeigenschaften des Strömungsmittels gehemmt bzw. behindert wird. Der Mechanismus auf der Außenseite des Rohrs ist

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gleichartig bzw. ähnlich demjenigen auf der Innenseite, da der Wärmefluß bewirkt, daß die Strömungsmitteldichte auf der Außenseite des Rohrs abnimmt.

Das Rohr 10 ergibt hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften gegenüber konventionellen Wärmeübertragungsrohren mit zylindrischer Wand, und zwar aus zwei Gründen. Erstens ergibt sich eine größere Wärmeübertragungsoberfläche, weil sich die Oberflächenausweitungen, welche die Rippen begrenzen bzw. definieren, in die Strömung erstrecken und dadurch die Wärmeübertragungsoberfläche ausweiten bzw. vergrößeren; und zweitens wegen der Rotationsströmung, die durch die Umfangskomponente der Oberflächenreibung induziert wird. Die Wirbelungsströmung erhöht die Wärmeübertragung, indem sie die Weglänge und die Geschwindigkeit eines Strömungsmittelelements in der Nähe der Wand erhöht und ein auf das Strömungsmittel einwirkendes Zentrifugalkraftfeld einführt, das als eine Körperkraft bzw. eine körperliche Kraft wirkt, welche die Wärmeübertragung innerhalb des Rohrs verbessert, wenn die Wand heißer als das Strömungsmittel ist, und welche die Wärmeübertragung außerhalb des Rohrs verbessert, wenn die Wand kälter als das das Rohr umgebende Strömungsmittel ist. Die auf diese Weise erzeugte Strömungsmittelkörperkraft bewirkt eine kontinuierliche Ergänzung des Strömungsmittels in der Nachbarschaft der Rohrwandoberflächen.

Die überragenden Wärmeübertragungseigenschaften, die mit dem Wärmeübertragungsrohr 10 erreicht werden, lassen sich besonders gut aus Fig. 5 ersehen. In Fig. 5 sind durch Kurvendarstellungen die Temperatur der Rohrwand eines Wärmeübertragungsrohrs, die Temperatur eines Strömungsmittels, das innerhalb des Rohrs fließt, wie z.B. Wasser, und die Temperatur eines Strömungsmittels, das außen über das Wärmeübertragungsrohr verläuft, wie z.B. Helium, als Funktion der Länge entlang des Rohrs für ein Wärmeübertragungsrohr gemäß

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der Erfindung im Vergleich mit einem konventionellen, geraden oder zylindrischen Wärmeübertragungsrohraufbau dargestellt. Die vertikale Achse der Kurvendarstellung der Fig.5 gibt die Temperatur in ⁰C wieder, während die horizontale Achse der Kurvendarstellung die Rohrlänge in cm wiedergibt. Die bei 40 und 42 dargestellten Kurven geben die mittlere Metalltemperatur der Rohrwände eines Wärmeübertragungsrohrs 10 bzw. eines eine gerade oder zylindrische Rohrwand aufweisenden, metallischen Wärmeübertragungsrohrs wieder, und zwar entlang der Längen der Rohre, wenn sich das Strömungsmittel außerhalb der Rohre 40 und 42 auf Temperaturen befindet, wie sie durch die Kurven 44 bzw. 46 wiedergegeben werden, und wenn sich das Strömungsmittel innerhalb der Rohre auf Temperaturen befindet, wie sie durch die Kurven 48 bzw. 50 wiedergegeben werden. Es ist ersichtlich, daß die maximale Rohrtemperatur von etwa 620⁰C für ein Wärmeübertragungsrohr mit einer geraden oder zylindrischen Wand, wie durch die Kurve 42 wiedergegeben ist, auf eine maximale Temperatur von 56O°C für ein Wärmeübertragungsrohr 10, wie durch die Kurve 40 angedeutet ist, abfällt. Es läßt sich weiterhin ersehen, daß die Temperatur der Rohrwand für das Wärmeübertragungsrohr 10, wie durch die Kurve 40 wiedergegeben, beträchtlich geringer als die Temperatur der Rohrwand eines geradwandigen Wärmeübertragungsrohrs , wie sie durch die Kurve 42 repräsentiert wird, bei vergleichbaren Abständen entlang der Länge der Rohre unter den Temperaturbedingungen ist, die für Strömungsmittel, welches innerhalb der Rohre,und für Strömungsmittel, welches außerhalb über die Rohre strömt, veranschaulicht sind.

Wegen der größeren WärmeUbertragungseigenschaften des Wärmeübertragungsrohrs 10 läßt sich bereits jetzt sagen, daß die Kosten der Wärmeübertragungsrohre für Dampfgeneratoren von existierenden Auslegungen um ein Vielfaches von mehr als 3 vermindert werden können, und zwar gegenüber der Verwendung von konventionellen, zylindrischen Rohren, die aus

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Chrome Molly oder Incoloy hergestellt sind, wobei beide in spiraliger Rohrform geschweißt sein können und die aneinander anliegenden Kanten des spiral^gewickelten Streifens durch Bimetallschweißungen befestigt sein können.

Zusätzlich zu den verminderten Kosten der Wärmeübertragungsrohre per se ist eine weitere Herabsetzung der Kosten des Wärmeaustauschers möglich aufgrund der Tatsache, daß die Anzahl von Schweißungen zwischen den Rohren und den Rohrplatten herabgesetzt wird, und demgemäß wird die Anzahl von Löchern, die in den Rohrhalteplatten erforderlich sind, vermindert. Weiterhin können die Rohrabstandsteile in hohem Maße vereinfacht werden. Die beträchtlich geringere Anzahl von Rohren in einem äquivalenten Wärmeaustauscher, die sich durch Anwendung der Wärmeübertragungsrohre 10 ergibt, führt außerdem zu einer Herabsetzung der Zusammenbauzeit und der Arbeit, so daß auf diese Weise eine weitere Kostenreduzie rung erreicht wird. Es läßt sich abschätzen, daß eine Gesamtersparnis von etwa 35 bis 4096 im Aufbau von Dampf gener a tor en oder Wärmeaustauschern durch Anwendung der Wärmeübertragungsrohre 10 gemäß der Erfindung gegenüber den Kosten von Dampfgeneratoren, die konventionelle, zylindrische Wärmeübertragungsrohre haben, realisiert werden kann.

Ein anderer signifikanter Faktor, der sich bei der Anwendung von Wärmeübertragungsrohren 10 in Wärmeaustauschern ergibt, ist die Tatsache, daß die Temperatur der Rohrwand nach der kühleren Prozeßströmung zu einseitig eingestellt bzw. einseitig überwiegend gemacht werden kann, und zwar durch eine geeignete Steuerung, die über den Betrag der Erhöhung erfolgen kann, d.h. über das Auskehlen, Rippen, Riffeln, Riefen, Kannelieren oder dergl., und die Größe der sinuswellenförmig gekrümmten Querkonfiguration, auf jeder Seite des Rohrs. Die Wärmeübertragungssteigerung bzw. -erhöhung, die durch die sinuswellenförmig gerippte Umfangswand

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des Wärmeübertragungsrohrs nach der Erfindung eingestellt wird, führt zu einem höheren Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Innenseite des Rohrs, was zu einer mittleren Metalltemperatur der Rohrwand führt, die näher an der Strömungsmitteltemperatur innerhalb des Rohrs liegt, wodurch die Wirkung von Streifen, Schlieren oder dergl. verstärkt wird.

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Claims

Patentansprüche

Wärmeübertragungsrohr zur Verwendung in einem Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwand eine Mehrzahl von inneren und äußeren, spiral- b-zw. schraubenförmigen Rippen (12) für die Strömung eines Wärmeaustauscher-Strömungsmittels entlang derselben hat, wobei sich die Rippen entlang der in Längsrichtung verlaufenden bzw. entlang der longitudinalen Länge des Rohrs (10) erstrecken, von gleichförmiger Konfiguration sind und innere und äußere, spiral- bzw. schraubenförmige Täler (i4a_ti4b) und Berge (I6a,i6b) begrenzen.
2. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (I2)von genügender Abmessung sind, um zu bewirken, daß Strömungsmittel, die längs der inneren und äußeren Seiten der Rohrwand strömen, einer Rotationsströmung ausgesetzt sind bzw. einer solchen Strömung unterworfen werden.
3. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (b) des Rohrwandmaterials im wesentlichen gleichförmig ist, wobei die Ebenen der inneren und äußeren Täler (I4a,i4b) durch eine Dicke des Materials getrennt sind.
4. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die spiral- bzw. schraubenförmigen Rippen (12) im wesentlichen über die volle, in Längsrichtung verlaufende bzw. longitudinale Länge des Rohrs (10) erstrecken.
5. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragungsrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch

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die folgenden Verfahrensschritte:

Formen der entgegengesetzten Oberflächen eines Streifens (20) aus Material, das eine größere, in Längsrichtung verlaufende bzw. longitudinale Länge als Querbreite hat, zu welligen Oberflächen über die Querbreite des Streifens, wobei die welligen Oberflächen Rippen (12) begrenzen bzw. definieren, die sich in Längsrichtung des Streifens bzw. longitudinal zum Streifen erstrecken, und Berge (I6a,i6b) sowie Täler (i4a,i4b) haben;

Formen des gerippten Streifens (20) zu einer Rohrkonfiguration durch spiral- bzw. schraubenförmiges Wickeln der Streifen um eine Achse, wobei die Seitenkanten (22,24) des Streifens in aneinander anliegende Beziehung gelangen; und

Befestigen der aneinander anliegenden Seitenkanten (22,24) des spiral- bzw. schraubenförmig gewickelten Streifens in strömungsmitteldichter Beziehung, insbesondere aneinander.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellten Oberflächen in dem Streifen (20) so ausgebildet bzw. geformt werden, daß die Ebenen der Täler (14a, 14b) in den entgegengesetzten Oberflächen des Streifens durch eine Dicke (b) des Streifenmaterials voneinander getrennt sind.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (20) dadurch zu einer Rohrkonfiguration geformt wird, daß man den Streifen spiral- bzw. schraubenförmig um einen Dorn (32) wickelt.
8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aneinander anliegenden Seitenkanten (22,24) des spiral- bzw. schraubenförmig gewickelten Streifens (20)

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durch Schweißen strömungsmitteldicht befestigt, insbesondere aneinander befestigt werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Ausbildens bzw. Formens der entgegengesetzten Oberflächen des Streifens (20) zu gewellten Oberflächen das Formen bzw. Ausbilden der entgegengesetzten Oberflächen zu sinuswellenförmigen Querkonfigurationen umfaßt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellten Oberflächen durch Profilbzw. Konturwalzung des Streifens (20) längs dessen in Längsrichtung verlaufender bzw. longitudinaler Länge ausgebildet werden.
11. Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragungsrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (10) durch Pressen, Spritzen, Strangpressen, Extrusion oder dergl. geformt bzw. ausgebildet wird.

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