DE2809143C2 - Wärmeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher mil mehreren, innenseitig ein Medium führenden achsparallelen Rohren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Ein Wärmeaustauscher mit diesen Merkmalen zählt durch die DE-PS 4 96 733 zum Stand der Technik. Die Leitelemente sind hierbei in Form von Sicken gestaltet. Derartige Leitelemente weisen demzufolge weder Eintritts- noch Austrittsöffnungen auf. Solche öffnungen sind auch nicht vorgesehen, da die äußeren Oberflächen der erhabenen Bereiche der Sicken das die Rohre quer anströmende äußere Medium leiten sollen.

Zu diesem Zweck sind die Sicken in einev Weise neben den Rohren angeordnet, daß das äußere Medium von den von den Rohren weiter entfernten Stellen möglichst abgelenkt und dafür in verstärktem Maß den günstigeren, in der Nähe der Rohre gelegenen Stellen der Rippen und der Rohraußenwand selbst zugeführt wird. Ihre Relativanordnung zu den Rohren ist dabei so vorgesehen, daß die Sicken den Durchtrittsquerschnitt für das äußere Medium zwischen den Rippen an den von den Rohren weiter entfernten Stellen verringern, so daß das zwischen den Rippen strömende äußere Medium wegen der an diesen Stellen herrschenden Drosselung von diesen Drosselstellen nach den in der Nähe der Rohre liegenden Stellen abgelenkt wird.

Die bekannten Sicken bilden mithin Hindernisse, da sie bewußt eine Drosselung zwischen den Rohren bewirken sollen. Eine in dieser Weise vorgenommene Drosselung führt jedoch dazu, daß jede Umlenkung des äußeren Mediums irlt erheblichen Druckverlusten, d. h. also Energieverlusten erkauft wird. Als weitere Folgeerscheinung ergeben sich hinter den Drosselstellen neue Strömungstoträume und Bereiche, in denen Wirbel entstehen können. Dadurch wird zwangsläufig der Wärmeübergang von dem einen 2uf das andere Medium schlechter. Im bekannten Fall wird folglich mit erhöhten Druckverlusten der Wärmeübergang durch Drosselung nur auf andere Stellen der Rippen verlagert und es werden damit — was die Vermeidung von Toträumen anlangt — so gut wie gar keine Vorteile erzielt.

Bei der Ausführungsform eines Wärmeaustauschers, wie sie durch die DE-OS 24 41 652 bekannt ist, sind lediglich schlitzartige Bereiche aus den Rippenebenen herausgedrückt. Diese haben die Aufgabe, Grenzschichten, die sich auf den Rippen bilden, aufzureißen. Solche schlitzartigen Bereiche können jedoch keine gezielte Strömungslenkung des äußeren Mediums in die — bezogen auf die Strömungsrichtung des äußeren Mediums — hinter den Rohren liegenden Bereiche bewirken. Definitionsgemäß sollen dies die Schlitze auch nicht. Außerdem können die Strömungstoträume hinter den Rohren mit den bekannten Maßnahmen nicht verkleinert werden.

Der Erfindung liegt demgemäß — ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Wärmeaustauscher — die Aufgabe zugrunde, Möglichkeiten aufzuzeigenden örtlichen Wärmeübergang auch in den in bezug auf die Strömungsrichtung des äußeren Mediums hinter den Rohren liegenden Bereichen merklich zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I aufgeführten Merkmale.

In den erfindungsgemäß ausgebildeten und angeordneten Führungskanälen werden nunmehr gewisse Mengen des äußeren Mediums kanalisiert, um die Rohre herumgeführt und dadurch gezielt in den sogenannten Strömungsschatten der Rohre hineingeleitet. Auf diese Weise nehmen auch die im Strömungsschatten liegen-

den Bereiche der Rohre und der Rippen aktiv am Wärmeaustausch teil, wodurch eine wesentliche Verbesserung des örtlichen Wärmeübergangs und eine Verzögerung der Wärmeübergangszahl erzielt wird.

Zur vollständigen Verhinderung von Strömungstoträumen ist es zweckmäßig, daß sich die Führungskanäle über einen Winkel φ von etwa 130° bis 160°, vorzugsweise von etwa 135° bis 145° neben den Rohren erstrecken.

Vor allem aus Gründen der einfacheren Fertigung des Wärmeaustauschers empfiehlt es sich, daß die Führungskanäle in bezug auf die Strömungsrichtung des äußeren Mediums im wesentlichen spiegelsymmetrisch zu den Rohren angeordnet sind. Diese Ausführungsform bietet außerdem die Möglichkeit, daß der Wärmeaustauscher ohne Änderung der Strömungs- und Wärmeübergangsverhältnisse in entgegengesetzter Richtung beaufschlagt werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist jeder Führungskanal in mindestens zwei Kanalabschnitte mit Eintritts- und Austrittsöffnungen unterteilt, wobei der Übergangsbereich zwischen den Kanalabschp.itten in der Rippenebene liegt. Auf diese Weise werden im Bereich der Führungskanal zusätzliche Kanten gebildet, an denen das herangeführte äußere Medium beim Auftreffen geteilt wird. Hierdurch werden sich z. B. an den Rippenoberflächen gegebenenfalls doch aufbauende dünnere laminare Grenzschichten, die den Wärmeübergang stören, schneller aufgerissen. Somit wird der Wärmeaustausch zwischen dem äußeren und dem inneren Medium noch weiter verbessert.

Wenn die Rippen alle die gleiche Geometrie besitzen und ihre Führungskanäle übereinanderliegen, ist es nach der Erfindung von Vorteil, daß die Höhe jedes Führungskanals mindestens gleich der Hälfte des Rippenabstands bemessen ist. Hierdurch ist gewährleistet, daß die im Bereich der Führungskanäle befindlichen Kanten genügend frei liegen und daher in ausreichendem Maße eine Aufteilung des auf sie treffenden äußeren Mediums bewirken und daß die Wandungen der Führungskanäle vollständig und zwar über die gesamte Kanalbreite am Wärmeaustausch teilnehmen können. In diesem Zusammenhang ist die Höhe jedes Führungskanals höchstens gleich einem Rippenabstand bemessen.

Insbesondere zur Vereinfachung der Fertigung des Wärmeaustauschers ist es darüber hinaus empfehlenswert, daß die senkrecht zur Rohrachse gemessene Breite jedes Führungskanals und seine Höhe über die Kanallänge im wesentlichen gleich sind.

Schließlich bildet es noch ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung, daß das Verhältnis der senkrecht zur Rohrachse gemessenen Breite jedes Führungskanals zum kleinsten Außenabstand zweier benachbarter Rohre zwischen etwa 1 :5 und 1 :3 bemessen ist. Bei einem solchen Verhältnis der Führungskanalbreite zum Außenabstand zweier Rohre sind die Führungskanäle so breit, daß die durch sie hindurchgeführten und die seitlich der Führungskanäle strömenden Mengen des äußeren Mediums für sich ausreichend groß sind, um in allen Bereichen der Rohraußenwandungen und Rippenoberflächen große Wärmeübergangszahlen sicherzustellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert, Es zeigt

Fig. I einen schematisch dargestellten Rippenrohr-Wärmeaustauscherteil gemäß dem Stand der Technik, in der Draufsicht in Richtung der Rohrachsen gesehen; Fig. 2 einen schematisch dargestellten Rippenrohr-Wärmeaustauschertei! gemäß der Erfindung in der Draufsicht in Richtung der Rohrachsen gesehen und
F i g. 3 den Rippenrohr-Wärmeaustauscherteil gemäß der Erfindung nach Fig. 2 im Schnitt nach Linie Hl-III der F i g. 2.

Der Rippenrohr-Wärmeaustauscherteil der Fig. 1 und derjenige der F i g. 2 und 3 weisen übereinstimmend fünf in zwei hintereinander liegenden Rohrreihen achsparallel nebeneinander mit versetzter Rohranordnung bei gleichem Außenabstand A erstreckte Rohre 1 kreisrunden Innen- und Außenquerschnitts auf, über welche jeweils rechteckige Rippen 2 übergeschoben sind. Die Rippen sind senkrecht zur Rohrachse X der Rohre 1 mit gleichem Rippenabstand T voneinander angeordnet, wobei die in einer Ebene liegenden Rippenabschnitte jeweils eine den nebeneinander erstreckten Rohren gemeinsame, duichgehende Rippe 2 bilden. Die Rippen 2 sind an den Rohren, die einen Außendurchmesser D besitzen, unter allseitiger, gut wärmeleitender Berührung durch jr Se Rohraußenwandung befestigt, vorzugsweise durch L3trng. Die Rippen 2 sind zudem in bekannter Weise durch nicht dargestellte Distanzhalter im Rippenabstand Γ voneinander gehalten.

Die Rohre 1 werden senkrecht zur Rohrachse X in Richtung der Pfeile 5 von einem äußeren Medium angeströmt, während sich im Rohrinneren ein mit dem äußeren Medium in Wärmeaustausch stehendes inneres Medium befindet.

Die Rippen 2 des Rippenrohr-Wärmeaustauschers sind im Falle der Fig. 1 vollständig eben; im Falle der F i g. 2 und 3 weisen sie demgegenüber Ausprägungen 3 zur Führung des zwischen ihnen strömenden äußeren Mediums auf.

Die Ausprägungen 3 sind als aus der Ebene jeder Rippe 2 in ihrem an jede Rohraußenwandung angrenzenden Bereich, mit einem Abstand zum jeweiligen Rohr, herausgedrückte Führurgskaräle 3a, 3b zur Führung des äußeren Mediums in ihrem Inneren in den im Strömungsschatten des jeweiligen Rohres 1 liejenden Rohrumfangsbereich hinein ausgebildet. Und zwar ist, in Strömungsrichtung 5 des äußeren Mediums gesehen, beidseitig eines jeden Rohres 1 in jeder Rippe 2 jeweils ein Führungskanal 3a bzw. 36 mit halbkreisförmigem Querschnitt vorgesehen; der halbkreisförmige Querschnitt ist in Fig. 3 zu ersehen. Es liegen die Führungskanäle 3a jeweils auf der linken, die Führungsso kanäle 3b auf der rechten Seite der Rohre 1.

Die Führungskanäle 3a, 3b sind sämtlich in derselben Richtung aus der Ebene der Rippen 2 herausgedrückt. Zudem verlaufen die den einander zugekehrten Rohrseiten zweier benachbarter Rohre 1 einer Rohrreihe zugeordneten Führungskanäle 3a, 3b auf den zwischen diesen beiden Rohren 1 liegenden Teilen der Rippenebene.

Wie Fig. 2 zeigt, erstrecken sich die beiden irr Bereich jeder Rohraußenwandung in einer Rippe 2

M) vorgesehenen Führungskanäle 3a, 3b in der Rippenebene jeweils parallel zur Rohraußenwandung, womit durch jeden Führungskanal 3a, 3b in der Rippenebene ein Abschnitt eines Kreisringes eingenommen vird. Des weiteren verlaufen die Führungskanäle la. 3b konzen-

tv> trisch in bezug auf das Rohr 1, wobei jedem der beiden im Bereich jeder Rohraußenwandung in einer Rippe 2 vorgesehenen Führuiigskaiiäle 3a, 36 in der Rippenebene ein Zentriwinkel w von etwa 140° zukommt: dieses

Merkmal isl ebenfalls aus I· i g. 2 ersichtlich.

Die beiden im Bereich jeder Kohruußenwiindung in einer Rippe vorgesehenen Hihningskaniilc 3a. 3/) sind zueinander in bezug auf die in Sirömungsrichtung .Sund senkrecht zur Rippenebene verlaufende Rohrmiltelcbene Vsowie in bezug auf die quer zur Strömungsrichtung .Vund senkrecht zur Rippenebene verlaufende Rohrmittelcbene /Tspiegelsymmctrisch ausgebildet.

leder Führungskanal 3;) bzw. ib ist in zwei Kanalabschnittc 3.j|, 3a₂ bzw. ib_u 3/>₂ unterteilt, wobei die zwischen den beiden benachbarten Kanalabschnitten 3.j|. .3,-Ji bzw. 3/j|, ib< jedes F -'ührungskanals 3.7 bzw. 3b liegenden Rippenflächentcile in der Rippenebcne liegen. Fig. 2 zeigt auch, daß jede F.inlriitsöffnung 5.) und jede Aiistrittsöffnung 5/> eines jeden Führungskanal und ebenso die beiden sich gegenüberliegenden Zwischcnöffntingen 6 zweier benachbarter Kanalabschnitte 3,j|. 3a₂ bzw. 36|, 3i>i jedes Führungskanais 3;j bzw. 3b durch radial in bezug auf die Rohrachse X verlaufende Rippeneinschnitte 7 gebildet sind.

Die senkrecht zur Rohrachse Λ' gemessene Breite B jedes Führungskanals 3a. 3i> und seine Höhe //sind über die Kanallange gleich, wie ebenfalls aus F i g. 2 ersichtlich ist. Dabei ist die Höhe //der Führungskanäle 3.7, 3b um ein geringes Maß größer als die Hälfte des Rippenabstandes T bemessen, jedoch kleiner als ein Rippenabstand T. Außerdem ist die senkrecht zur Rohrachse X gemessene Breite 0jedes Führungskanals 3a bzw. 3b und der kleinste Außenabstand A zweier benachbarter Rohre 1 in ein Verhältnis von etwa I :4 gestellt.

Es besitzen die übereinander erstreckten Rippen 2 sämtlich die gleiche Geometrie, und es liegen ihre einander entsprechenden Führungskanäle 3a bzw. 3b einschließlich ihrer Kanalabschnitte 3a_u 3a₂. 3b_u 3O₂ jeweils übereinander.

In den F i g. 1 und 2 sind die Strömungsverhältnisse in den beiden Rippenrohr-Wärmeaustauschern durch Stromfäden sichtbar gemacht.

Wie Fig. 1 zeigt, bilden sich im Falle des bekannten Rippenrohr-Wärmeaustauschers mit vollständig ebenen Rippen 2 in den in Strömungsrichtung S hinten, d. h. im Strömungsschatten der Rohre ί liegenden Rohrumfangsbereichen jeweils Strömungstoträume aus. die in der Zeichnung punktiert veranschaulicht sind. Innerhalb dieser Strömungstoträume, die von der Hauptströmung nicht berührt werden, ist die Bewegung des äußeren Mediums verhältnismäßig schwach; hier bilden sich Wirbel von nur geringer Intensität aus. Außerdem entstehen an den Rohraußenwandungen und den Rippenoberflächen in weitem Umfang laminare Grenzschichten großer Dicke. Beides hat zur Folge, daß die örtlichen Wärmeübergangszahlen mehr oder weniger klein sind: der Wärmeaustausch ist insbesondere in den von der Hauptströmung nicht berührten Flächenbereichen der Strömungstoträume nicht zufriedenstellend.

Bei dem Rippenrohr-Wärmeaustauscher der Fig. 2 und 3 bilden sich, wie die Stromfäden der F i g. 2 deutlich machen. Strömungstoträume nicht aus. Das äußere Medium wird durch die Führungskanäle 3a,3i>auf jeder Rohrseite in drei Teilströme aufgeteilt, wovon der eine Tcilstrom zwischen der betreffenden Rohraußcnwandung und den der Rohraiißenwandunf- zugekehrten Bereichen des jeweiligen Führungskanals 3a bzw. 3b und der zweite Teilstrom durch das Innere des Führungskanals 3;i bzw. 3b hindurch in den im Strömungsschatten des jeweiligen Rohres 1 liegenden Rohrumfangsbercich hineingeführt wird, wobei der zweite Tcilstrom über die F.intrittsöffnung 5a in den Führungskanal 3 bzw. 3b eintritt und die Austrillsöff

in nung 5b aus ihm wieder austritt, und wovon der dritte Teilstrom sich schließlich an der der betreffenden Rohraußenwandung abgeweiidetcn Seite des Führungskanais 3a bzw. 3b erstreckt. Dabei wird das äußere Medium mittels der Führungskanäle 3,-j, 3b in die in

\ί .Strömungsrichtung .9 hinten liegenden Rohrumfangsbcreiche so geführt, daß auch in den in .Strömungsrichtung 5 hinter jedem Rohr 1 liegenden Rohr- und Rippenflächcnbereichen ein größerer Wärmeaustausch, insbesondere mittels Konvektion, ermöglicht ist.

Die Wärmeübergangszahlen sind bei dem Rippenrohr-Wärmeaustauscher der Fig. 2 außerdem dadurch vergrößert, daß sich hier an den Rohraußenwandungen und den Rippenoberflächen laminare Grenzschichten, die den Wärmeübergang stören könnten, gar nicht oder

2^ jedenfalls in nur kleinen Flächenbereichen bei verhältnismäßig geringer Dicke ausbilden können. Die Eintritts-, Austritts- und Zwischenöffnungen 5a, 5/3,6 der Führungskanäle 3a, 3b bilden nämlich zahlreiche Kanten, an denen das zwischen den Rippen 2

)o hindurchgeführte äußere Medium wiederholt aufgeteilt wird. Dies bedeutet, daß gegebenenfalls entstehende laminare Grenzschichten auf ihrem Strömungsweg jedenfalls fortwährend unterbrochen und verdünnt werden. Hierdurch wird das äußere Medium, zumal eine

r-> Vielzahl kleiner örtlicher Wirbel an den Kanten entstehen, unter starker Durchmischung an den Rohraußenwandungen und Rippenoberflächen entlanggeführt. In der Folge ist der Wärmeaustausch zwischen dem äußeren und dem inneren Medium verhältnismäßig

ίο groß.

Der Wärmeaustausch ist zusätzlich dadurch günstig beeinflußt, daß die Höhe f/der Führungskanäle 3a, 3b um ein geringes Maß größer als die Hälfte des Rippenabstandes T. jedoch kleiner als ein Rippenab-

« stand T bemessen ist. Damit kann das zwischen den Rippen 2 hindurchgeführte äußere Medium nämlich auch über die Führungskanäle 3a, 36 hinwegströmen, so daß die äußeren Flächenbereiche der Führungskanäle 3a, 36 in ihrer Gesamtheit am Wärmeaustausch

so teilnehmen.

Die Eintritts- und Austrittsöffnungen der F0^Krungskanäle werden vorteilhaft dadurch hergestellt, daß an den entsprechenden Stellen der Rippen Einschnitte durchgeführt und dann die zwischen den Einschnitten liegenden Flächenbereiche aus den Rippenebenen kanaiförmig herausgeformt werden. Auf diese Weise entstehen umfangsseitig der Eintritts- und Austrittsöffnungen Kanten, an denen gegebenenfalls auftretende laminare Grenzschichten sofort wieder aufgerissen werden. Die Intensität des Wärmeübergangs wird hierdurch nochmals gesteigert

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscher mit mehreren innenseitig ein Medium führenden achsparallelen Rohren, insbesondere runden Querschnitts, die außenseitig mit im gleichmäßigen axialen Abstand angeordneten Querrippen versehen sind, welche aus ihren Ebenen in dieselbe Richtung herausgedrückte, im Querschnitt etwa halbkreisförmige, in ihrer Längserstrekkung gekrümmte Sicken als Leitelemente für ein die Rohre quer anströmendes äußeres Medium aufweisen, die, in Strömungsrichtung des äußeren Mediums gesehen, im Abstand neben den Rohren vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicken als mit ihren Innenflächen das äußere Medium zwangsläufig umlenkende Führungskanäle (3a, 3b) ausgebildet sind und jeweils parallel zur Rohraußenwandung verlaufen, wobei sie unter Bildung von stirnseitigen Eintrittsöffnungen (5a) sowie Austrittsöffnungen (5b) über ihre gesamte Länge gleichmäßig tief aus den Rippenetwnen herausgefci mt sind.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Führungskanäle (3a, 3b) über einen Winkel φ von etwa 130 bis 160°, vorzugsweise von etwa 135° bis 145°, neben den Rohren (1) erstrecken.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskanäle (3a, 3b) in bezug auf die Strömungsrichtung (S) des äußeren Mediums im wesentlichen spiegelsymmetrisch zu den Rohren (1) angeordnet sind.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Führungskanal (3a, 3b) in mindestens zwei Kanalabschnitte (3ai, 3a2 bzw. 3b\, 362) mit Eintritts- und Au-. .rittsöffnungen (6) unterteilt ist, wobei der Übergangsbereich (4) zwischen den Kanalabschnitten (3a\, 3a2 bzw. 3b\, 3bi) in der Rippenebene liegt.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) jedes Führungskanals (3a, 3b)mindestens gleich der Hälfte des Rippenabstands (7) bemessen ist.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H)jcdes Führungskanals (3a, 3b) höchstens gleich einem Rippenabstand (T) bemessen ist.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht zur Rohrachse (X) gemessene Breite (B) jedes Führungskanals (3a, 3b) und seine Höhe (H) über die Kanallänge im v> wesentlichen gleich sind.

8. Wärmeaustauscher nach Anspruch I oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der senkrecht zur Rohrachse (X) gemessenen Breite (B) jedes Füh- bo rungskanals (3a, 3b,)zum kleinsten Außenabstand (A) zweier benachbarter Rohre (1) zwischen etwa I :5 und I : 3 bemessen ist.