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Rohreinheit für einen Wärmetauscher
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Die Erfindung betrifft eine Rohreinheit für einen Wärmetauscher nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Wärmetauscher, die aus einer Vielzahl von parallel geschalteten Rohreinheiten
dieser Art gebildet sind, wobei die Mantelrohre innen eine Flüssigkeit führen und
aussen z.B. von einem Gas umströmt sind, werden insbesondere für die Kühlung von
viskosen Flüssigkeiten, z.B.
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als Schmierölkühler eingesetzt. Eine charakteristische Berechnungsgrösse
für einen Wärmetauscher ist das Produkt Oberfläche mal Wärmeübergangszahl, d.h.
F Das ungünstige Verhältnis des Produktes F < auf der Innenseite der Rohreinheiten
gegenüber der Aussenseite wird dabei durch die Einbauelemente verbessert.
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Andererseits besteht vielerorts die Vorstellung, dass sich durch entsprechende
Ausgestaltung der Einbauelemente eine Verwirbelung der Rohrströmung, wenn nicht
gar Turbulenz erreichen lassen, womit die Temperaturver teilung über den Rohrquerschnitt
erheblich verbessert werden könnte.
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Bei einer bekannten Rohreinheit dieser Art, die als Rippenrohr bezeichnete
wird, sind die Einbauelemente aus einem Kernkörper und Blechbändern, die entlang
einer Schraubenlinie um diesen gewickelt sind, gebildet. Die Blechbänder sind hierbei
wellenartig verformt und bilden am Umfang des Kernkörpers abwechselnd Wellenberge,
die das Mantelrohr berühren und Wellentäler,
die sich am Kernkörper
abstützen.
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Gegenüber den sogenannten Glattrohrwärmetauschern (freier Innenquerschnitt,
z.B. zylindrische Rohre) erbringt ein solches Rippenrohr hohe Wärmeübergangszahlen.
Allerdings sind diese Werte mit hohen inneren Druckverlusten verbunden und dementsprechend
ist zur Kompensation ein hoher Energieaufwand vorhanden. Für Wärmetauscher mit grösserer
Baulänge sind solche Rippenrohre aufgrund der Druckverluste nicht geeignet; die
begrenzte Baulänge muss für eine Anlage gegebener Leistung durch eine grössere Anzahl
Wärmetauscher wettgemacht werden, was die Anlagekosten entsprechend erhöht.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Rohreinheit mit niedrigen inneren
Druckverlusten bei hohen Wärmeübergangszahlen durch Berücksichtigung der gegebenen
Strömungsverhältnisse zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Rohreinheit mit den
Merkmalen des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemässe Lösung beruht auf der Erkenntnis, dass im Bereich
der in Betracht kommenden Reynoldszahlen Massnahmen, die auf eine Umlenkung oder
eine Verwirbelung der Strömung abzielen, wie z.B. Querströmungen, mit welchen die
thermische Grenzschicht an der Mantelrohrwand abgebaut werden soll, schon infolge
der damit verbundenen Vergrösserung des Strömungswiderstandes nicht zum Erfolg führen
können. Der mit der erfindungsgemässen Rohreinheit erreichbare niedrige Druckverlust
bei erstaunlich hohen Wärmeübergangszahlen wird hauptsächlich
darauf
zurückgeführt, dass alle durch die Einbaukörper gebildeten Wandflächen in Strömungsrichtung
fluchten.
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Eine in bezug auf das Verhältnis Wärmeübergangszahl zu Druckverlust
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gegeben, wenn die Einbaukörper
in Längsrichtung, d.h. in Strömungsrichtung Wandflächen einer Erstreckung bilden,
die dem Durchmesser der Körper ähnlich ist. Dementsprechend weisen die rohrförmigen
Einbaukörper gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Längsrichtung
betrachtet eine Vielzahl von länglichen Unterbrüchen in ihrer Wandung auf, die im
wesentlichen quer zu deren Längsachse verlaufen.
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Es wird angenommen, dass das vorerwähnte besonders günstige Verhältnis
von Wärmeübergangszahl zu Druckverlust darauf zurückzuführen ist, dass sich das
typische parabolische Geschwindigkeitsprofil der laminaren Rohrströmung erst in
einem bestimmten Abstand vom Rohre in tritt ausgebildet hat und dass auch über eine
allerdings kürzere Strecke ein praktisch rechteckiges Geschwindigkeitsprofil bzw.
eine reibungsfreie Strömung vorhanden ist.
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Es darf angenommen werden, dass sowohl das Geschwindigkeitsprofil
wie auch das Temperaturprofil im Bereich einer Unterbrechung eine Korrektur im Sinne
einer Vergleichmässigung erfahren, wobei deren Ausmass von der Länge der Unterbrechung
abhängig ist. Wesentlich ist jedoch, dass sich der nachfolgende Rohrabschnitt in
bezug auf das Strömungsverhalten nicht als Forsetzung des Rohres sondern als neuer
Rohreintritt darstellt, in welchem wiederum eine sich über eine bestimmte
Strecke
fortsetzende reibungsfreie Strömung herrscht.
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Die Wärmeübergangszahl wird ihrerseits zweifellos dadurch günstig
beeinflusst, dass eine Grenzschicht, die eine isolierende Wirkung hat, sich bis
zum Ende eines Rohrabschnittes noch nicht oder jedenfalls noch nicht vollständig
ausgebildet hat.
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Mit der erfindungsgemässen Massnahme der Unterbrüche in der Wandung
wird nun die jeweilige Rohrlänge in ein vorbestimmtes Verhältnis zur Einlaufstrecke
gebracht und ein derartiger Einbaukörper stellt demgemäss eine Folge von Einlaufstrecken
aus einer Vielzahl von fluchtenden Rohrabschnitten dar, selbst wenn die Rohrwandung
in den entsprechenden Querschnitten nicht über den ganzen Umfang unterbrochen ist.
Sind die übrigen, die Reynolds-Zahl beeinflussenden Grössen gegeben, so wird das
vorerwähnte Verhältnis vom Rohrdurchmesser bestimmt. Ein günstiges Verhältnis ergibt
sich dann, wenn die Länge der Rohrabschnitte gleich dem Rohrdurchmesser gewählt
wird. Durch die in Achsrichtung des Manttelrohres fluchtende Lage der Rohrabschnitte
fluchten auch deren Stirnflächen, so dass diese keine ins Gewicht fallende Störung
der Strömung darstellen.
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Nachfolgend ist eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung
anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 schematisch einen Wärmetauscher mit mehreren Rohreinheiten,
Fig. 2 einen Abschnitt einer Rohreinheit im Achsialschnitt, und
Fig.
3 eine Rohreinheit nach Fig. 2 in Stirnansicht.
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Mit 2 ist in der Fig. 1 ein Wärmetauscher bezeichnet, welcher eine
Mehrzahl von Rohreinheiten 4, einen Verteiler 6 und einen Sammler 8 umfasst. Ueber
eine Vorlaufleitung 10 steht der Verteiler 6 mit dem Schmierölkreislauf einer Wärmekraftmaschine
(nicht dargestellt) in Verbindung, an welchen der Sammler 8 über eine Rücklaufleitung
12 angeschlossen ist.
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Jede Rohreinheit 4 umfasst, wie aus Fig. 2 und 3 ersichtlich ist,
ein an seinen beiden Enden (nur eines gezeigt) offenes und mit dem Verteiler 6 bzw.
Sammler 8 unmittelbar verbundenes Mantelrohr 14 sowie eine Mehrzahl von geraden
rohrförmigen Einbaukörpern 16 mit kreisförmigem Querschnitt. In Fig. 2 ist das Mantelrohr
14 als in der Wandplatte 13 des Verteilers eingesetzt dargestellt. Ein einzelner
rohrförmiger Einbaukörper 18 ist koaxial innerhalb des Mantelrohres 14 angeordnet,
während die Einbaukörper 16 den dazwischen gebildeten Ringraum so ausfüllen, dass
jedes derselben mit zwei benachbarten Einbaukörpern 16, dem zentralen Einbaukörper
18 und schliesslich mit dem Mantel 14 in Berührung steht. Die Rohreinheit kann schliesslich
noch auf der Aussenseite des Mantelrohres 14 aufgesetzte, nicht dargestellte Lamellen
umfassen, die sich etwa parallel zur Strömungsrichtung der als Kühlmedium dienenden
Luft erstrecken.
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Die rohrförmigen Einbaukörper 16 und 18 weisen erfindungsgemäss in
Längsrichtung betrachtet eine Vielzahl von Unterbrechungen in deren Wandung 19 auf,
die sich zu einem entlang einer Schraubenlinie verlaufenden Spalt 20 zusammensetzen,
welcher über die ganze Länge des Körpers durchgehend ist. Der Spalt 20 schliesst
im
dargestellten Ausführungsbeispiel einen Winkel von ca. 600 mit
der Längsachse ein. Vorzugsweise sind die Einbaukörper aus schraubenlinienförmig
gewickelten Metallbändern hergestellt, wobei die Steigung der Wicklung grösser ist
als die Breite der Bänder, wodurch der endlose Spalt 20 entsteht. Im Unterschied
zu dem Mantelrohr 14 und den Einbaukörpern 16, die aus Kupfer hergestellt sind,
besteht der zentrale Einbaukörper 18 aus Stahl und befindet sich in radialer Richtung
unter einer in diesen z.B. durch vorherige achsiale, elastische Dehnung eingebrachten
Vorspannung. Entsprechend dieser radialen Feder-Vorspannung übt der Einbaukörper
18 auf die Einbaukörper 16 eine Anpresskraft aus, mit welcher diese satt an das
Mantelrohr 14 anliegen. Dementsprechend besteht zwischen allen Einbaukörpern 16
und dem Mantelrohr 14 ein intensiver metallischer Kontakt.
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Im Betrieb des in der Zeichnung dargestellten Wärmetauschers werden
sämtliche Rohreinheiten 4 auf ihrem vollen freien Innenquerschnitt von dem zu kühlenden
Schmieröl durchflossen. Die Strömungsbahn ist dabei gerade, indem in keinem der
Querschnitte im Innern der Einbaukörper 16 und 18 noch in den zwischen diesen bzw.
mit der Innenwand des Mantelkörpers begrenzten Querschnitten eine Umlenkung oder
Verwirbelung der Strömung stattfindet. Infolge der geringen Wandstärke der Einbaukörper
bzw. geringen Dicke zu deren Herstellung verwendeten Bänder (in der Zeichnung gegenüber
der Wirklichkeit aus Gründen der deutlichen Darstellung erheblich dicker) haben
auch die Stirnflächen, welche durch den Spalt gebildet werden, für die Strömung
keinen störenden Einfluss.
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Für die Strömung in einem einzelnen Einbaukörper 16
und
18 stellen sich dabei die durch den Spalt 20 begrenzten Wandpartien als eine Folge
von Rohrabschnitten dar.
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Die durch z.B. axiale Dehnung des Einbaukörpers 18 entstehende Durchmesserverminderung
kann beim Zusammenbau der Rohreinheit ausgenützt werden, um die Einbaukörper 16
und 18 entweder einzeln oder als Paket einzuschieben.
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Wird hierauf der Einbaukörper 18 von der axialen Zugkraft entlastet,
so weitet sich dieser im Durchmesser wieder auf und presst die Einbaukörper 16 gegen
das Mantelrohr 14. Selbstverständlich kann der Einbaukörper 18 auch aus einem anderen
Metall mit Federeigenschaften, wie z.B. Bronze hergestellt sein.
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Eine andere Möglichkeit, die Einbaukörper 16 gegen das Mantelrohr
14 zu verspannen, besteht darin, als zentralen Einbaukörper ein vollwandiges, z.B.
zylindrisches Rohr zu verwenden, das nach dem Einbau aller Körper durch plastische
Deformation aufgeweitet wird. Die gleiche Massnahme lässt sich insbesondere dort
anwenden, wo die Einbaukörper nicht aus Bandmaterial gewickelt sind, sondern z.B.
aus gezogenen Rohren bestehen. Unterbrechungen in solchen gezogenen Rohren können
auch durch nachträgliche Bearbeitung, z.B. eine zerspahnende Bearbeitung erzeugt
werden. So können diese Unterbrechungen Schlitze bilden, die in Umfangsrichtung
verlaufen.
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