DE3007380A1

DE3007380A1 - Waermeuebertragungsroehre

Info

Publication number: DE3007380A1
Application number: DE19803007380
Authority: DE
Inventors: Jack Seymour Yampolsky
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: GA Technologies Inc
Priority date: 1979-02-27
Filing date: 1980-02-27
Publication date: 1980-09-04
Also published as: GB2043867A; CH646511A5; FR2450433B2; JPS55134293A; GB2043867B; FR2450433A2

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Wbjxkmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. RA-Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

dr.ing.h.liska 3007380

♦ 5 *

Pap 8000 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

GENERAL ATOMIC COMPANY

10955 John Jay Hopkins Drive

San Diego, California 92121, V.St.A.

Wärmeübertragungsröhre

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.6-

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Wärmeübertragungsröhre für Wärmeaustauscher, insbesondere auf eine Wärmeübertragungsröhre und ein Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei die sich gegenüberliegenden Oberflächen eines Streifen aus metallischem Material durch Ausbildung einer Vielzahl von in Längsrichtung sich erstreckenden Rippen eines spezifischen Profils und einer spezifischen Rippenhöhe vergrößert werden, wonach der Streifen schneckenförmig gewickelt wird und die seitlichen Stoßkanten des verdrehten Streifens flüssigkeitsdicht miteinander verbunden werden.

Die Übertragung von Wärme in Wärmeaustauschern unter Benutzung von Wärmeübertragungs- oder Austauschröhren hat eine weitgestreute Anwendung in allen Industrien, insbesondere in der Prozeß- und Kraftindustrie. Nachdem Energie- und Kapitalkosten gestiegen sind, hat der Bedarf nach Verbesserung des Wirkungsgrades von Wärmeübertragungsflächen und der Mittel, durch die Wärmeübertragungsröhren gefertigt werden, eine größere Bedeutung erlangt. Weil die Kosten von Wärmeaustauschern, die Wärmeübertragungsröhren benutzen, von der Anzahl der Röhren und den Kosten der Verrohrung abhängen, ist es im höchsten Grade wünschenswert, daß sowohl der Aufwand an erforderlicher Verrohrung reduziert wird als auch wirtschaftlichere Mittel zur Herstellung der Verrohrung gefunden werden. Da die Temperatur der Röhrenwandung durch die Oberflächentemperatur - übertragungskoeffi-

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zienten auf der innenseitigen Oberfläche und der außenseitigen Oberfläche der Röhrenwandung für gegebene Strömungsbedingungen bestimmt ist, resultiert eine bevorzugte Regulierung des einen oder beider dieser Koeffizienten in gewissem Maße in der Regulierung der Röhrenwandungstemperatur.

Diese Regulierung kann entweder zum Erhöhen oder Erniedrigen der Temperatur eines der Prozeßströme, d. i. entweder der interne Fluß durch die Röhren oder der externe Fluß über die äußere Oberfläche der Röhren für eine gegebene Röhrenwandungstemperatur, oder zum Reduzieren der Röhrenwandungstemperatur für besondere ProzeßStromtemperaturen benutzt werden.

Wärmeaustauscher machen häufig Phasenwechsel notwendig. Beispielsweise wird Wasser genügend erhitzt, so daß es sich in Dampf verwandelt, und der Dampf wird genügend abgekühlt, so daß er sich in Wasser verwandelt. Bei diesen Anwendungsfällen wird häufig eine vermehrte Wärmeübertragung benötigt.

In Dampfkondensatoren kann der interne thermische Widerstand des Einphasen-Kühlmittels beispielsweise dreimal so hoch wie der externe Widerstand sein. Ein ähnlicher Bedarf für erhöhten Wärmetransport entsteht in Boilern von Kreisläufen mit Dampfsperren. In diesen Einheiten wird Wärme aus den Auspuffgasen einer Dieselmaschine oder einer Gasturbine zugeführt. Sie weisen eine niedrige Erwärmungsrate auf und benötigen somit eine große Wärmeübertragungszone, es sei denn , daß der Wärmetransport verstärkt werden kann. Sowohl bei Siede- als auch bei Kondensierungsvorgängen ist der Wärmetransport allgemein durch die Übertragungseigenschaften der Einfachphasen-Flüssigkeit begrenzt. Wenn diese Begrenzung durch genügende Verstärkung beseitigt ist, ist die Leistung eines Wärmeaustauschers oder Kondensators durch 2-Phasen-Wärmetransport-Charakteristika bestimmt.

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Die Anwendung von Verwirbelung zum Verstärken des Wärmetransports ist bekannt und kann auf verschiedenen Wegen erreicht werden. Beispielsweise sind bereits verdrallte Einlagen benutzt worden, die ein Mittel zur Verstärkung.des Wärmetransportes innerhalb des Röhrensystems· darstellen. Ein tangentiales Einspritzen der Flüssigkeit-am Eingang der Röhre ist ebenfalls benutzt worden, um eine Anfangsrotation vorzusehen, die in Richtung stromabwärts vergeht, jedoch den Wärmetränsport verstärkt, solange sie vorherrscht.

Die vorliegende Erfindung betrifft das Erzielen eines verbesserten Wärmetransports durch das Zurverfügungstellen einer neuartigen, spiralförmig gerippten Wärmetransportröhre und ein Verfahren zu deren Herstellung.

Demgemäß ist es eine der hauptsächlichen Aufgaben der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Wärmetransportröhre und ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, die, wenn sie in einem Wärmeaustauscher verwendet.werden, verbesserte Wärmetransport-Charakteristika zum Ergebnis haben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmetransportröhre zu schaffen, die eine Vielzahl von in der Röhrenwandung ausgeformten schneckenförmig verlaufenden Rippen hat, die eine besondere Konfiguration haben, so daß fortlaufend eine Rotation des Flusses sowohl innerhalb als auch außerhalb der Wärmetransportröhre herbeigeführt wird. Die Krümmung -der Rippen ist derart gestaltet, daß der turbulente Austausch zwischen der Röhre und der in ihr fließenden Flüssigkeit erhöht wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Wärmeübertragungsröhre gemäß dem Obergriff des Patentanspruchs 1 gelöst, die durch die im kennzeichnenden Teil dieses Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet ist.

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Weiterbildungen der Erfindung sind durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Es kann durch mathematische Analyse begründet werden, daß der Beiwert für den Wärmetransport pro Einheit der Pumpleistung für eine Röhre, die eine spiralförmig gerippte Wandung hat, und die dabei als vergrößert und erweitert relativ zu einer glattwandigen runden Röhre definiert ist, folgendermaßen ausgedrückt ist: 10

Für konstante Wärmeübertragung gilt

e (PLP ^l λ 'e

/ ,.J ,Ns , ^(7rdL) s ⁽—^}s

Dabei bedeuten:

Q Wärmeübertragungszahl

P Umfang der vergrößerten und erweiterten

N Stantonzahl ^—p_u Röhre

W Pumpleistung

λ Reibungskoeffizient

C Spezifische Wärme bei kontantem Druck

u mittlere Geschwindigkeit h Oberflächenleitfähigkeits-Koeffizient p Flüssigkeitsdichte

Für konstante Kühlmittelflußrate gilt

^vw'e ^v X'e ₌

(^Q) rMs )

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Es kann auch begründet werden, daß das Verhältnis der Stantonzahl und der Reibungsfaktor oder -Koeffizient auf das Verhältnis der turbulenten Austauschkoeffizienten von Wärme und Impuls nach der Beziehung g*¹— = —τ— bezogen ist.

Daraus folgt, daß die Vergrößerung des Verhältnisses der Stantonzahl zum Reibungskoeffizienten oder alternativ dazu des Verhältnisses des turbulenten Austausch-Koeffizienten für Wärme zu dem Impuls größer als das einer runden, glattwandigen Röhre (das den Wert 1 hat) in höchstem Maße wünschenswert ist, insbesondere, falls die Wärmetransportzone ebenso vergrößert ist. Indessen kann es vorteilhaft sein, wenn die Reibungserhöhung größer als der Zuwachs der Stantonzahl ist, falls die Reibungserhöhung kleiner als das Produkt der dritten Potenz des Zuwachses der Stantonzahl und des Wärmetransportzonen-Zuwachses für den Fall eines gegebenen Wärmetransportbetrages ist.

Es ist allgemein anerkannt, daß in Wärmetransportröhren der größte Anteil des Wärmetransportwiderstandes und der größte Teil der Oberflächenreibung mit der Flüssigkeit nahe der Wandung der Röhre, der sog. laminaren Unterschicht, in der Wärmetransport und Impuls abhängig vom Molekulartransport, der thermischen Leitfähigkeit und der Viskosität sind, einhergehen. Ein Erhöhen des Wärmetransports kann in geraden runden Röhren nur durch Erhöhung des Schubes durch eine Erhöhung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Röhre oder durch Erhöhen des Maßes der Turbulenz durch Aufrauhen der Oberfläche der runden Röhre erreicht werden. Jede dieser Methoden ist in ihrer Leistung durch den Wert h _^ festgelegt. Indessen kann die Erzeugung- einer ^m Instabilität in der Nähe der laminaren Unterschicht eine Erhöhung der Temperaturleitzahl des Impulses zur Folge haben.

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In der spiralförmig gerippten Röhre bewirken gemäß der vorliegenden Erfindung die Rippen eine Rotation des Flusses innerhalb der Rippen und in dem Hauptfluß als Ergebnis ihrer Krümmung und radialen Dickengradienten. Die peripheren Geschwindigkeitskomponenten haben eine Zentrifugalkraft zur Folge, die mit dem radialen Dickengradienten zusammen eine unstabile Dichtigkeitsverteilung aufbaut, wenn die Richtung des Wärmeflusses radial nach innen gerichtet ist.

Es ist daher eine weitere besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine spiralförmig gerippte Wärmeübertragungsröhre zu schaffen, in der die Rippen eine vorbestimmte Rippenhöhe relativ zum Rippendurchmesser haben, und die einen vorbestimmten Rippensteigungswinkel relativ zur Achse der

Röhre hat, so daß ein Verhältnis der thermischen Temperaturleitzahl zur Impuls-Temperaturleitzahl (^M größer

Ετη

als 1 aufgebaut wird.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer spiralförmig gerippten Wärmeübertragungsröhre vorzusehen, das in die Lage versetzt, Rippen zu bilden, die den größten Nutzen aus der Physik der Turbulenz ziehen und optimalen Wärmetransport und Reibungsleistung zu erzeugen, und welches Verfahren im höchsten Maße wirtschaftlich gegenüber bekannten Methoden zur Herstellung spiralförmig gerippter Wärmeübertragungsröhren ist.

In einem Ausführungsbeispiel für die Erfindung ist die Röhre aus einem Streifen metallischen Materials hergestellt, dessen einander gegenüberliegende Oberflächen mittels Walzvorgängen derart vergrößert sind, daß längsgerichtete Rippen mit einer mathematisch stetigen Kurve angenäherter Querschnittskontur oder Profil ausgebildet sind. Nachdem die einander gegenüberliegenden Oberflächen des Streifens zum Defininieren gerichteter Rippen verformt sind, wird er durch

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spiralförmiges Auswalzen um eine Achse herum zu einer Röhre derart ausgeformt, daß die seitlichen Kanten des Streifens aneinanderstoßen und fortlaufend schneckenförmige Rippen entlang der Längsausdehnung der Röhre gebildet werden. Die zusammenstoßenden seitlichen Kanten des schneckenförmig verdrehten Streifens werden flüssigkeitsdicht, beispielsweise durch Schweißen miteinander verbunden.

Die verschiedenen Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende ins einzelne gehende Beschreibung der Erfindung und an Hand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente über die verschiedenen Ansichten hinweg bezeichnen.

Die Figuren zeigen lediglich Ausführungsbeispiele für die vorliegende Erfindung.

Fig.1 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht einer Wärmetransportröhre gemäß der vorliegenden Erfindung. 20

Fig.2 ist eine .perspektivische Ansicht eines Teils eines Streifens aus metallischem Material, der mit einer Vielzahl von längsgerichteten Rippen versehen ist und der zu einer Wärmeübertragungsröhre gemäß Fig.1 ausgeformt ist.

Fig.2a ist eine teilweise Schnittzeichnung entlang der Linie 2a - 2a in Fig.2.

Fig.2b ist eine teilweise Schnittzeichnung ähnlich Fig.2a, jedoch mit einem bzw. einer alternativen bzw. alternativer Rippenprofil bzw. Kontur.

Fig.3 zeigt eine teilweise Draufsicht, die schematisch eine Vorrichtung zum Formen des gerippten Streifens gemäß

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Fig.2 in eine spiralförmig gewickelte Röhre zum Bilden der Wärmeübertragungsröhre gemäß Fig.1 wiedergibt.

Fig.4 ist eine schematische Seitenansicht der Röhrenherstellungseinrichtung gemäß Fig.3.

Insbesondere in Fig.1 ist eine Wärmeübertragungsröhre in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mit 10 bezeichnet. Die Wärmeübertragungsröhre 10 hat eine Umfangswandung,die eine Vielzahl von spiralförmig verlaufenden Rippen aufweist,die allgemein mit 12 bezeichnet sind und derart ausgebildet sind,daß abwechselnd mit 14a bzw.16a bezeich nete Täler bzw. Berge von außerhalb der Röhre 10 her betrachtet und mit 16b und 14b bezeichnete Berge bzw. Täler von der Innenseite der Röhre 10 her betrachtet auftreten. Um eine maximale mittlere Wandstärke der Röhrenwandung zu erhalten,sind die Täler der einen Oberfläche,beispielsweise der äußeren Oberfläche,vorzugsweise den Bergen der anderen Oberflache,d.i. die innere Oberfläche,gegenüber angeordnet und umgekehrt.

Gemäß Fig.2 ist die gezeigte Wärmeübertragungsröhre 10 aus einem ursprünglich flachen Streifen oder Blatt eines geeigneten metallischen Wärmeübertragungsmaterial wie Stahl,AIuminium oder einem vergleichbaren Material,allgemein mit 20 bezeichnet,hergestellt,das im wesentlichen eine gleichförmige Dicke und im wesentlichen eine größere Längsausdehnung als eine Querausdehnung hat.Der flache metallische Streifen 20 kann beispielsweise von einer Rolle abgewickelt und durch herkömmliche Streckwalzen gelaufen sein,nachdem die einander gegenüberliegenden Oberflächen des Streifens durch bekannte Mittel,beispielsweise durch sich gegenüberstehende,nicht gezeigte Profilwalzen,zwischen denen der Streifen durchläuft, um eine Vielzahl in Längsrichtung verlaufender paralleler Rippen 12 in die einander gegenüberliegenden Oberflächen zu

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drücken,verformt sind.Andere Verfahren der Herstellung,solche wie Strangpressen,können ebenfalls zur Formung der Rippen 12 verwendet werden.Die Rippen 12 dehnen sich über die gesamte Querausdehnung des Streifens aus und bilden letztlieh die spiralförmigen Rippen 12 auf der Wärmeübertragungsröhre 10.

Das Rippenprofil oder Querschnittsprofil,das vor dem spiralförmigen Aufwickeln,wie in Fig. 2.,2a und 2b gezeigt,besteht, nähert sich vorzugsweise einer mathematisch stetigen Kurve wie einer Oberfläche,die durch eine transzendente Funktion beschrieben werden kann. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen des Teils des metallischen Streifens, der in Fig.2a gezeigt ist, dehnen sich derart aus, daß sie einem Sinuskurvenprofil entsprechen. Die Rippenprofile, die in Fig.2b gezeigt sind, sind derart geformt, daß sie einen Kreisbogen für den Berg jeder Rippe, mit 14a bzw. 14b für die innere bzw. äußere Oberfläche bezeichnet, und einen Kreisbogen für jedes Tal, mit 16a bzw. 16b für die innere bzw. äußere Oberfläche bezeichnet, bildet. Die Kreisbögen, die die Berge und Täler festlegen, werden von geradlinigen Tangenten an beiden Arten der korrespondxerenden Kreisbögen berührt. Alternativ dazu können sich die Berge und Täler definierenden Kreisbögen miteinander mischen, so daß sie durch eine transzendente Funktion beschrieben sind. Die Form der Rippen sollte spitz mit Tal bzw. Berg um einen Faktor von zwischen ungefähr 3 und 6 schmäler als die Basis der Rippe, die durch den Abstand zwischen parallelen Ebenen, die nach der Röhrenachse ausgerichtet sind und die Zentren der Krümmung der Basis oder Talbögen schneiden, definiert ist, zulaufen. Alternativ ausgedrückt sollte die Basis jeder Rippe, betrachtet in einem Längsschnitt durch die Röhre um einen Faktor von ungefähr 3 bis 6 größer als die Breite des korrespondierenden Berges sein. Mit "innerer" und "äußerer" Oberfläche sind die inneren und äußeren Oberflächen einer

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entstandenen Wärmetransportröhre 10, die aus einem Streifen , der in Längsrichtung ausgedehnte Rippen mit Querkonturen, wie in Fig.2, 2a oder 2b gezeigt, hat, gebildet ist.

In den in Fig.2a und 2b gezeigten Ausführungsbeispielen sind die am weitesten innen liegenden Oberflächenelemente, die die Berge in den gegensinnig gerippten Oberflächen des Streifens 20, nämlich 14a und 14b, definieren, durch eine Dicke des Ausgangsmaterials voneinander getrennt. Diese Dicke ist mit "b" in Fig.2a bezeichnet. Die Dicke des Ausgangsmaterials ist gleichmäßig um den Umfang der gebildeten Röhre 10. Durch das Voneinandertrennen der Berge 14a und 14b in den sich gegenüberliegenden Oberflächen des Streifens 20 um eine Dicke des Ausgangsmaterials behält die aus dem gerippten Streifen gefertigte Röhre die Fähigkeit, sowohl internen als auch externen Drücken ohne Einwirken von großen Biegungskräften, die geeignet wären, die Röhrenwandung zu deformieren, auf die Röhrenwandung mit 14c und 14d in Fig.2a bezeichnet, die die Rippen definieren,standzuhalten. Ein Beispiel für eine Biegelast, die auf die Wandung 14c einwirkt, ist mit dem Kraftvektor 18 in Fig.2a bezeichnet.

Während die Ebenen, die die am weitesten nach innen liegenden Oberflächenelemente der Berge 14a und 14b in den sich gegenüberliegenden Oberflächen des gerippten Streifens 20 haben, vorzugsweise /voneinander getrennt sind, wie in Fig. 2a gezeigt, kann eine zufriedenstellende Leistung abhängig von der besonderen Anwendung, erreicht werden, wenn diese Ebenen im wesentlichen koplanar, wie in Fig.2b gezeigt, verlaufen. Wie in Fig.2b gezeigt, kann die Dimension "b" negativ für niedrige oder gedrosselte Drücke sein, d. h. die Berge 14b der Rippen auf der inneren Oberfläche einer Röhre können auf einem Durchmesser liegen, der größer als der Durchmesser, auf dem die Berge 14a der äußeren Oberfläche lie-

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-IA-

gen,ist.

Während die Wärmeübertragungsröhre 1O aus irgendeinem geeigneten metallischen Wärmeübertragungsmaterial hergestellt sein kann,enthaiten Beispiele 12 % Chromlegierungsstahl, wie rostfreien Stahl des Typs 420 oder 422 oder serienmäßigen rostfreien Stahl des Typs 300, Titan und Aluminium. Der metallische Streifen 20 kann eine Dicke von ungefähr .015 bis .120 Zoll zum nachfolgenden Verformen zu einer Röhre haben, die einen Durchmesser von ungefähr 3/4 bis 1 Zoll hat.

Beim Ausformen des gerippten metallischen Streifens 20 zu der Wärmeübertragungsröhre 10 wird der Streifen durch schneckenförmiges Aufwickeln des Streifens um eine Achse in eine schneckenförmig gewickelte röhrenförmige Konfiguration mit aneinanderstoßenden Seitenkanten 22,24 gewickelt, vergl. Fig.2, wonach die aneinanderstoßenden Seitenkanten flüssigkeitsdicht miteinander verbunden werden. Fig.3 und 4 zeigen schematisch einen Typ einer allgemein mit 30 bezeichneten Vorrichtung zum Ausformen des in Längsrichtung schneckenförmig oder spiralförmig gerippten metallischen Streifens 20 um eine Achse, um die Wärmeübertragungsröhre 10 auszubilden. Die Vorrichtung 30 hat eine zylindrische Spindel 32, die drei drehbare Rollen um sich herum angeordnet hat. Die Gruppe von Rollen enthält eine erste Rolle 34, die eine untere Stützrolle ist, eine zweite mit einem kleineren Durchmesser versehene seitenhaltende Rolle 36 und eine dritte, nämlich eine Patritzenrolle 38 mit größerem Durchmesser, als die Rollen 34 und 36 haben, und die derart angeordnet ist, daß sie oberhalb der Spindel 32 auf deren gegenüberliegenden Seite von der Stützrolle 34 liegt. Die Stützrolle 34 und die seitenhaltende Rolle 36 haben im allgemeinen zylindrische periphere Oberflächen und dienen dazu, die periphere Oberfläche der Spindel 32 zu berühren und diese ab-

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gestützt in Nachbarschaft der Patritzenrolle 38 zu halten. Die Patritzenrolle 38 hat eine periphere Oberfläche, die ein Oberflächenprofil entsprechend der Oberflächenkonfiguration der Rippen 12 auf dem metallischen Streifen 20 hat, so daß sie mit der Oberfläche des gerippten metallischen Streifens während der schneckenförmigen Ausformung des Streifens zu der Wärmeübertragungsröhre 10 übereinstimmt. Die Spindel 32 kann beispielsweise mit einer schneckenförmigen Sinuswellen - Oberflächenkonfiguration in Überein-Stimmung mit der gegenübergestellten Oberfläche des gerippten Streifens 20 beim Formen des Streifens zu der Röhre ausgestattet sein. Die Stützrollen 34 und 36 und die Patritzenrolle 38 sind drehbar um Achsen gelagert, die in Winkeln relativ zu der Achse der zylindrischen Spindel 32 in bekannter Weise gelagert sind.

Während des Vorganges wird ein geeignetes metallisches Blatt oder ein solcher Streifen so ausgeformt, daß längsgerichtete Rippen durch Profilwalzen gebildet werden, um einen gerippten Streifen, wie in Fig.2 gezeigt, zu formen. Der gerippte Streifen oder das gerippte Blatt wird dann zwischen die Patritzenrolle 38 und die Spindel 32 tangential zu den äußeren Oberflächen der Spindel 32 und der Patritzenrolle 38 in einer Richtung lotrecht zu einer senkrechten Ebene, die die Rotationsachse der Patritzenrolle enthält, eingelegt. Die Formungsvorrichtung 30 formt den Streifen 20 zu einer schneckenförmig gewickelten, röhrenförmigen Konfiguration mit.einander berührenden Seitenkanten 22 und 24 aus. Danach werden die zusammenstoßenden Seitenkanten des schneckenförmig aufgewickelten Streifens 20 flüssigkeitsdicht durch eine beliebige bekannte Schweißtechnik, wie Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißung miteinander verbunden. Die Oberflächenvergrößerungen oder Rippen 12, die ursprünglich in Längsrichtung des Streifens 20 vor dem spiralförmigen Ausformen verlaufen waren, bilden nun eine

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-ys-

fortlaufend spiralförmig oder schneckenförmig gerippte Oberfläche sowohl auf der Innenseite als auch auf der Außenseite der Röhre 10.

Beim Herstellen der Wärmeübertragungsröhre 10 wird der metallische Streifen 20 derart geformt,daß ein Spiral-oder Schneckenform-Rippenanstiegswinkel von ungefähr zwischen 20° und 60° gebildet wird.Dieser Anstiegswinkel stellt den eingeschlossenen Winkel zwischen der Achse der Röhre und einer Ebene dar,die die Achse der Röhre in Querrichtung durchschneidet und einen Punkt auf der Linie der zusammenstoßenden Seitenkanten des spiralförmig gewickelten Streifens tangiert. In Fig. 1 ist der Anstiegswinkel durch das griechische Buchstabensymbol für phi bezeichnet.

Ein Vergleich der Leistung der gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten spiralförmig gerippten Wärmeübertragungsröhre mit der Leistung von bisher auf dem Markt erhältlichen spiralförmig gerippten und glatten Röhren kann durch Aufstellen eines Röhrenleistungsfaktors für jede Röhre vorgenommen werden,der das Verhältnis der Stantonzahl dividiert durch den Reibungsfaktor und multipliziert mit der Prandtlzahl auf 2/3 der Energie darstellt.Der Leistungsfaktor kann dann a-ls Ordinate in einer Darstellung mit der Reynoldszahl als Abszisse aufgetragen werden.Der Prandtlfaktor ist notwendig, um Unterschiede in den Eigenschaften des Kühlmittels, die als konstant in der zuvor genannten mathematischen Ableitung angenommen werden,zu erklären.Bei einer Reynoldszahl kleiner als 60 000 und konstantem Massenfluß ergab eine spiralförmig gerippte Röhre,die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde,einen Leistungsfaktor deutlich größer als 1.Bei einer Reynoldszahl 30 000 wurde ein Leistungsfaktor 2 für eine spiralförmig gerippte Röhre,die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde und einen Rippenanstiegswinkel von ungefähr 30° hat,erzielt,während

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sich ein Leistungsfaktor 1.37 mit einer spiralförmig gerippten Röhre mit 45° Anstiegswinkel ergab.

In einer Bewertung von Wärmeübertragungsröhren,basierend auf konstantem Wärmetransport,wurde außerdem herausgefunden, daß spiralförmig gerippte Röhren gemäß der vorliegenden Erfindung einen Leistungsfaktor haben,der ungefähr um den Faktor 2 größer ist als die Leistungsfaktoren von bisher auf dem Markt erhältlichen Röhren.

Zusätzlich zu der besseren Wärmeübertragungsleistung sind spiralförmig gerippte Röhren gemäß der vorliegenden Erfindung wegen ihres Herstellungsverfahrens flexibler in Bezug auf Rippenprofil und Geometrie,so daß der größte Nutzen aus der Physik der Turbulenzen zum Erzielen höherer Wärmeübertragung und Reibungsleistung gezogen werden kann.Darüber hinaus erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Röhren wirtschaftliche Fertigungskosten mit einer wesentlichen Möglichkeit zur Reduzierung der Kosten für die Verrohrung von Wärmeaustauschern.

Wie zuvor bemerkt,ist es allgemein anerkannt,daß der größte Anteil des Widerstandes des Wärmetransports und der größte Anteil der Oberflächenreibung in einer Wärmeübertragungsröhre mit der Flüssigkeit nahe der Wandung der Röhre,nämlich der sog. laminaren Unterschicht,wo der Transport von Wärme und der Impuls von dem molekularen Transport,der thermischen Leitfähigkeit und der Viskosität abhängig ist,zusammenhängt. Für ein gerades oder ebenes rundes Rohr kann eine Erhöhung des Wärmetransports nur mittels Erhöhung des Schubes durch eine Erhöhung der Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der Röhre oder Erhöhung der Stärke der Turbulenzen durch Aufrauhen der Oberfläche der runden Röhre erzielt werden.Jedes dieser Verfi

den.

Verfahren ist in seiner Leistung durch den Wert £—=1 gebun-

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3QQ738Q -γ,-

In Übereinstimmung mit einer wichtigen Eigenschaft der Wärmeübertragungsröhre 1O gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Instabilität in der Nachbarschaft der laminaren Grenzunterschicht durch die spiralförmigen Rippen erzeugt,die sich in einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit relativ zu der Erhöhung der Impulsleitfähigkeit auswirkt.Wie bemerkt, sollte der Anstiegswinkel der Rippen in einem Bereich zwischen 30° und 60° aus der Axialrichtung liegen.Der genaue Wert dieses Winkels hängt von dem Wert des thermischen Durchflusses ab.Die Höhe der Rippen relativ zu dem Durchmesser der Röhre sollte größer als die relative Dicke der laminaren Unterschicht bei einer Reynoldszahl 30 000 sein.Das Verhältnis der Höhe der Rippen relativ zu dem Durchmesser der Röhre sollte größer als 0.01 sein und vorzugsweise in dem Bereich von ungefähr 0.05 bis 0.25 liegen,wobei sich der Durchmesser der Röhre auf den mittleren Durchmesser der Rippen auf dem Umfang um die Mittelachse der Röhre bezieht.Die physikalischen Parameter,die den genauen Wert der Rippenhöhe im Verhältnis zu dem Durchmesser bestimmen,sind der Wärmedurchfluß und der Anstiegswinkel der Spirale,die sich beide mit dem Verhältnis Rippenhöhe zu Röhrendurchmesser erhöhen.

Die Anzahl der Rippen für eine gegebene Röhre ist eine Funktion des Reziprokwertes des Verhältnisses von Rippenhöhe zu Durchmesser und sollte in einem Bereich zwischen 12 und 64 liegen.Die genau ausgewählte Anzahl von Rippen hängt von dem Verhältnis Rippenhöhe zu Röhrendurchmesser ab,das. wie bemerkt, eine Funktion des Wärmedurchflusses und des Anstiegswinkels ist.Wie ebenfalls zuvor bemerkt,sollte die vor dem spiralförmigen Aufwickeln bestehende Rippenkontur einer mathematisch stetigen Kurve entsprechen,wie sie aus einem Kreisbogen bei dem Berg und bei dem Tal,die durch eine Linie,die beide Kreisbögen tangiert,berührt werden,oder alternativ dazu einer Oberfläche,deren Querschnitt durch eine transzendente Funktion,die beispielsweise durch eine Sinuswelle beschrieben werden kann,gebildet werden kann.

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Während bevorzugte Ausführungsformen einer Wärmeübertragungsröhre und eines Verfahrens zu ihrer Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist ersichtlich,daß Wechsel und Abänderungen darin vorgenommen werden können,ohne daß dabei der Schutzumfang der Erfindung verlassen werden würde.Verschiedene weitere Merkmale der Erfindung sind in den folgenden Patentansprüchen genannt.

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Claims

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Patentansprüche

ί1.j Wärmeübertragungsröhre für eine Wärmeübertragung zwischen der Röhrenwandung und einer durch die Röhre fließende Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet , daß eine im wesentlichen eine geradlinige Achse aufweisende metallische Röhre, die eine Vielzahl von spiralförmig ausgebildeten, entlang der Längsausdehnung der Röhrenwandung ausgeformten Rippen (12) mit im wesentlichen gleichmäßiger Konfiguration hat, vorgesehen ist, daß die Rippen (12) einen Spiralanstiegswinkel (φ) von zwischen ungefähr 30-60° relativ zu der Achse der Röhre haben und daß die Rippenhöhe größer als die relative Dicke der laminaren Unterschicht der durch die Röhre fließenden Flüssigkeit bei einer Reynolds zahl von ungefähr 30 000 ist, so daß ein Verhältnis

Eh Wärmeleitzahl zu Impulstemperaturleitzahl (—) größer als 1 eingestellt ist.
2. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Rippen (12) ein Verhältnis Rippenhöhe zu Röhrendurchmesser größer als 0,01 hat.
3. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Rippen (12) ein Verhältnis Rippenhöhe zu Röhrendurchmesser von zwischen ungefähr 0,05 und 0,25 haben.
4. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Röhre eine Vielzahl von spiralförmigen Rippen (12) entsprechend dem Reziprokwert des Verhältnisses von Rippenhöhe zu Röhrendurchmesser hat.
5. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Röhre eine Anzahl von spiralförmigen Rippen (12) in dem Bereich von ungefähr 12 64 hat.

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6. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß jede der Rippen (12) ein Profil von der Ebene aus betrachtet, die die Längsachse der Röhre einschließt, hat, das von der Basis nach außen zu spitz zuläuft und eine Spitze am Scheitelpunkt der Rippe (12) definiert, claß die Basis eine Breite von zwischen ungefähr der 3-fachen bis zu der 6-fachen Breite der entsprechenden Spitze hat.
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7. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Röhre aus einem flachen Streifen (20) metallischen Materials hergestellt ist, der spiralförmig gewickelt ist, um aneinanderstoßende Kanten (22,24), die flüssigkeitsdicht miteinander verbunden werden, zu bilden^¹¹SaB der flache Streifen (20) derart verformt ist, daß eine Vielzahl von parallelen längsgerichteten Rippen (12) vor dem spiralförmigen Wickeln definiert sind, so daß jede Rippe (12) ein Querschnittsprofil hat, das jeweils durch einen Kreisbogen bei dem Berg (16a,16b) und bei dem Tal (14a,14b) definiert ist, wobei die Täler (14a,14b) eine die betreffenden Kreisbögen tangierende Gerade berühren.
8. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Röhre aus einem flachen Streifen (20) metallischen Materials hergestellt ist, der spiralförmig gewickelt ist, um aneinanderstoßende Kanten (22,24), die flüssigkeitdicht miteinander verbunden werden, zu bilden, daß der flache Streifen derart verformt ist, daß eine Vielzahl von parallelen längsgerichteten Rippen (12) vor dem spiralförmigen Wickeln derart gebildet ist, daß die Rippen (12) ein Querschnittsprofil definieren, das durch eine transzendente Funktion beschrieben ist.
9. Verfahren zur Herstellung einer Wärmeübertragungsröhre

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für eine Wärmeübertragung zwischen der Röhrenwandung und einer durch die Röhre fließenden Flüssigkeit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Schritt zum Formen einer Vielzahl von im wesentlichen identischen Rippen (12) in einem im allgemeinen flachen Blatt oder Streifen (20) eines metallischen Materials derart, daß die Rippen (12) die gesamte seitliche Ausdehnung des Streifens bedecken und sich im wesentlichen parallel zu der Längsachse des Streifens (20) ausdehnen, vorgesehen ist, daß ein weiterer Schritt zum spiralförmigen Ausformen des Blattes oder Streifens (20) um eine im wesentlichen zylindrische Spindel (32) derart/ daß die Kanten (22,24) des spiralförmig gewickelten Streifens (20) aneinanderstoßen, vorgesehen ist, daß ein folgender Schritt zum flüssigkeitsdichten Verbinden der aneinanderstoßenden Kanten (22,24) derart, daß eine Wärmeübertragungsröhre gebildet wird, vorgesehen ist, daß der spiralförmig aufgewickelte Streifen (20) einen Spiralanstiegswinkel (φ) von zwischen ungefähr 30-60° relativ zu der Achse der ausgebildeten Röhre (10) bildet und daß die Rippen (12) derart ausgeformt sind, daß sie Rippenhöhen größer als die relative Dicke der laminaren Unterschicht der Flüssigkeit, die durch die Röhre fließt, bei einer Reyioldszahl von ungefähr 30 000 ausbildet,- um ein Verhältnis Wärmeleitzahl zu Impulstemperaturleitzahl Gj—)größer als 1 einzustellen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (12) in dem Streifen (20) derart ausgebildet sind, daß sie ein Verhältnis Rippenhöhe zu Röhrendurchmesser größer als 0,01 haben.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (12) derart ausgeformt sind, daß sie ein Verhältnis Rippenhöhe zu Röhrendurchmesser von zwischen

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-4-ungefähr 0,05 und 0,25 haben.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen (20) derart ausgeformt ist, daß eine Vielzahl von Rippen (12) in ihrer Anzahl dem Reziprokwert des Verhältnisses Rippenhöhe zu Durchmesser der ausgebildeten Wärmeübertragungsröhre entsprechend vorhanden s ind.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhre (10) derart ausgeformt ist, daß sie eine Anzahl von Rippen (12) im Bereich von zwischen ungefähr 12 bis £4 enthält.
14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (12) in dem Streifen (20) derart geformt sind, daß sie ein Querschnittsrippenprofil bilden, das durch eine transzendente Funktion beschrieben ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Rippen (12) , die in dem Streifen (20) ausgebildet sind, ein Querschnittsprofil hat, das durch eine Basis und eine Spitze an dem Scheitelpunkt der Rippe (12) definiert ist, wobei die Basis eine Breite zwischen ungefähr der 3-fachen bis 6-fachen Breite der entsprechenden Spitze hat.

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