DE3022270C2

DE3022270C2 - Aus Blechstreifen mit rippenartigen Vorsprüngen aufgebauter Einsatz, insbesondere in Rohren von Wärmetauschern, zur Verbesserung der Wärmeübertragung

Info

Publication number: DE3022270C2
Application number: DE3022270A
Authority: DE
Inventors: György Bergmann; Mihaly Horvath; Gyula Budapest Kovacs; Karoly Jaszbereny Laszlo; György PALFALVI; Gabor Tomcsanyi
Original assignee: Transelektro Magyar Villamossagi Kulkereskedelmi
Current assignee: Transelektro Magyar Villamossagi Kulkereskedelmi
Priority date: 1979-07-16
Filing date: 1980-06-13
Publication date: 1982-07-22
Also published as: GB2053445B; US4352378A; JPS5649895A; GB2053445A; DE3022270A1; FR2461915B1; JPS5952759B2; UA5997A1; FR2461915A1; ZA803794B; SU950202A3; CH648404A5; HU179455B

Description

Die Erfindung betrifft einen aus Blechstreifen aufgebauten Einsatz zur Förderung der Wärmeübertragung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Diese Vorrichtung wird zweckmäßig in Rohre von Wärmetauschern eingebaut

Der Wirkungsgrad des Wärmeübergangs wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen rippenartigen Vorrichtung in erster Linie dadurch erhöht, daß die Geschwindigkeit des in der Mitte des Rohres strömenden Mediums abgebremst wird und durch Wärmeleitung in den Blechstreifen sowie Vermischung des strömenden Mediums die Temperatur des Wärmetauschmediums im Querschnitt des Rohres vergleichmäßigt wird. Obwohl sich der Einsatz innerhalb des Rohres leicht verschieben läßt, können die meisten Zähne der den Einsatz bildenden Blechstreifen mit den Zahnenden an der inneren Wandoberfläche des Rohres leicht angedrückt sein, wodurch die Wärmeübertragung ebenfalls erhöht wird.

In Rohrwärmetauschern kommt es bei im Rohr strömenden Medien hoher Viskosität und schlechter Wärmeleitfähigkeit zu einem unzureichenden Wärmeübergang durch die Rohrwand. Dies ist darauf zurückzuführen, daß derartige Medien in den Rohren in einer laminaren Strömung strömen, wobei in der unmittelbaren Nähe der Rohrwand sich keine bzw. eine nur unbedeutende Strömung ausbildet und mit zunehmendem Abstand von der Wand zur Mitte des Rohres hin die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt Da es dabei in dem freien Rohrquerschnitt keine Vermischung gibt, ist die Wärmeübertragung zwischen der im Kern des Rohrquerschnittes strömenden großen Flüssigkeitsmenge und der Rohrwand nur dann möglich, wenn die Wärme durch die nahe der Wand vorhandenen Grenzschichten hindurchtritt Bei Medien geringer Wärmeleitfähigkeit wirken aber diese Grenzschichten wie eine Wärmeisolierung an der inneren Wand des Rohres.

Um die Wärmeübertragungsbedingungen zu verbessern, kann die innere Oberfläche des Rohres mit Rippen ausgestattet werden, wodurch die Wärmeübergangsfläche vergrößert wird. Andererseits ragen diese Rippen in den Kern des Rohrquerschnittes hinein und kommen mit dem schneller strömenden Bereichen des Wärmetauschmediums in Kontakt

Derartige Rippen können im Rohr befestigt sein, wobei sie entweder aus dem Rührwerkstoff selbst ausgebildet oder an die innere Oberfläche des Rohres gelötet bzw. geschweißt werden. Es sind auch rippenartige Einsätze bekannt, die aus dem Rohr herausgezogen werden können und dort nur durch Reibung festgelegt werden, so daß sie die Rohrwand berühren bzw. dort aufliegen und zwischen der Rippenoberfläche und dem Rohr ein metallischer Kontakt besteht

Mit der ersten Lösung wird eine hervorragende Kühlwirkung der Rippe erreicht, denn sie übergibt die Wärme unter Ausnutzung der hohen Wärmeleitfähigkeit von Metallen über eine metallische Verbindung auch dann an die Rohrwand, wenn die Rippen an die Rohrwand angelötet sind. Die Fertigung eines derart gerippten Rohres ist aber ziemlich aufwendig und auch die Reinigung des Innenraums des Rohres ist unmöglich bzw. umständlich.

Bei der zweiten Lösung ist die Reinigung möglich, weil der rippenartige Einsatz aus dem Rohr herausgezogen werden kann. Hier kann der Rippeneinsatz jedoch eben wegen dieser Möglichkeit nicht hinreichend dicht an der inneren Wand des Rohres anliegen, so daß sich — insbesondere nach mehrmaligem Einschieben bzw. Herausziehen des Einsatzes — der metallische Berührungskontakt zwischen der Rippe und dem Rohr verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch einen herausnehmbaren und leicht herstellbaren Einsatz die Strömungsverhältnisse und die Temperaturverstel-Jung innerhalb des Rohres derart umwandeln, daB sich dadurch die Wärmeübertragungsbedingungen verbes- s sern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst

Vorteilhaft bilden die MUtelabschnitte der Blechstreifen einen Kanal mit dem Querschnitt eines regulären ι ο Polygons. Die Anzahl der Blechstreifen beträgt mit Vorteil drei oder vier. Die Zähne der Blechstreifen können etweder senkrecht zu deren Längsachse oder schräg dazu verlaufen. Bei schrägen Zähnen sind diese bei jeweils benachbarten Blechstreifen vorteilhaft gegensinnig ausgerichtet In bestimmten Ausführungsformen werden die Enden der Zähne verbreitert

Bei weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind aus den Mittelabschnitten der Blechstreifen Leitplatten ausgebogen. Die Blechstreifen sind dabei bevorzugt derart ineinandergesetzt, daß die Leitplatten auf mindestens einem der Blechstreifen £U der Mittellinie der Vorrichtung hinweisen und auf mindestens einem weiteren Blechstreifen in der entgegengesetzten Richtung herausragen.

Die rippenartige Vorrichtung kann auch derart ausgebildet werden, daß am Ende des Rohres ein Anschlag eingebaut ist Jedoch ist auch eine Lösung möglich, bei welcher der verzahnte Blechstreifen an der inneren Oberfläche des Rohres elastisch verformt abgestützt ist.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird das andernfalls laminare, d. h. deutlich inhomogene Wärmebzw. Geschwindigkeitsprofil ausgeglichen, weil es das Strömungsmedium aus dem mittleren Teil der Flüssigkeitsströmung in die Nähe der Rohrwand verdrängt und weil die Bremswirkung der ausgedehnten Rippenoberfläche hohe Strömungsgeschwindigkeiten der im Bereich der Rohrachse strömenden Flüssigkeitsmengen verhindert

Hierdurch ist die Bedeutung des metallischen Kontaktes zwischen Rippe und Rohrwand für eine gute Wärmeübertragung herabgesetzt so daß der enge Kontakt des Rippeneinsatzes mit der Rohrwand nicht notwendige Voraussetzung ist Der Rippeneinsatz kann daher vergleichsweise lose im Rohr angeordnet sein und daher aus diesem leicht herausgezogen und in es zurückgeschoben werden, wodurch die Reinigung des Wärmetauschers leicht durchgeführt werden kann. Auch bei einem Verschleiß des Rippeneinsatzes während seines Aus- und Einbaus ändern sich — da der Rippeneinsatz in seiner Wirkung von vomeherein nicht auf einen engen Sitz im Rohr angewiesen ist — die Wärmeübertragungsverhältnisse selbst nach mehrmaligem Putzen des Wärmetauschers nicht Ein weiterer Vorteil eines derartigen Rippeneinsatzes besteht darin, daß er derart zusammengesetzt sein kann, daß er nach seinem Ausbau aus dem Rohr in flache Blechstreifen zerlegt werden kann, die ebenfalls leicht gereinigt und im übrigen leicht gefertigt werden können.

Die Erfindung wird anhand vorteilhafter Ausführungsformen erläutert, die aus der Zeichnung ersichtlich sind. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen gezahnten Blechstreifen mit senkrecht zu diesem verlaufenden Zähnen,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht der rippenartigen Vorrichtung aus drei Blechstreifen,

F i g. 3 eine perspektivvxhe Ansicht der rippenartigen Vorrichtung aus vier Blechstreifen, F i g, 4 den Querschnitt der Vorrichtung aus F i g, 2, F i g, 5 den Querschnitt der Vorrichtung aus F i g, 3,

Fig.6g und 6b zwei um eine halbe Zahnteilung gegeneinander versetzte Querschnitte der Anordnung aus F ig, 3,

F i g, 7 gezahnte Blechstreifen mit schrägen Zähnen,

F i g. 8 eine aus Blechstreifen nach F i g. 7 zusammengesetzte rippenartige Vorrichtung,

Fig.9 einen Blechstreifen mit schrägen Zähnen, deren Enden verbreitert sind,

Fig. 10 einen Blechstreifen mit senkrecht dazu ausgerichteten Zähnen, deren Enden verbreitert sind,

Fig. Ua einen gezahnten Blechstreifen mit Leitplatten in der Draufsicht,

Fig. 11b die Seitenansicht des Blechstreifens aus Fig.Ha,

Fig. 12a den Längsschnitt einer in ein Rohr eingesetzten, aus mit Leitplatten versehenen Blechstreifen zusammengesetzten rippenartigen Vorrichtung,

Fig. 12b den Querschnitt der Anordnung aus Fig. 12a und

Fig. 13a und 13b eine an die Innenfläche des Rohrs durch Krümmung der Zähne angepaßte rippenartige Blechkonstruktion.

Aus den Figuren ist eine räumliche Konstruktion eines Einsatzes aus metallischen Blechstreifen ersichtlich. Die metallischen Blechstreifen entsprechender Länge weisen beidseitig ihres entlang ihrer Mittellinie verlaufenden Mittelabschnittes 7 in der Streifenebene abstehende Zungen oder Zähne 6 auf, wobei die Lücken zwischen den Zähnen 6 größer als die Breite der Zähne 6, vorzugsweise wenigstens doppelt so groß wie die Zahnbreite sind.

Die einfachste Ausführungsform des gezahnten Blechstreifens ist aus F i g. 1 ersichtlich. Drei oder vier solcher gezahnter Blechstreifen 2 können in der aus Fig.2 bzw. 3 ersichtlichen Weise derart im Winkel zueinander verlaufend zu einem rippenartigen Einsatz zusammengesetzt werden, daß die aus ihren Zähnen 6 gebildeten Verzahnungen benachbarter Blechstreifen ineinandergreifen. In dieser Weise wird durch die Mittelabschnitte 7 der Blechstreifen ein im Bereich der Rohrachse verlaufender Längskanal 3 begrenzt, von dessen Eckkanten abwechselnd in eine von zwei unterschiedlichen Richtungen weisende Zähne 6 nach außen wegstehen. Diese Vorrichtung wird in die Rohre 1 des Wärmetauschers hineingeschoben. Die Breite der Blechstreifen bzw. die Tiefe ihrer Verzahnungen wird so gewählt daß der aus den ineinandergesetzten Blechstreifen 2 ausgebildete Rippeneinsatz im Rohr 1 leicht verschoben werde«! kann, während gleichzeitig das Rohr 1 das Auseinanderfallen der Blechstreifen verhindert

Da durch den losen Sitz des Rippeneinsatzes im Rohr dieser durch das strömende Medium verschoben werden kann, werden an den beiden Enden des Rohres 1 entsprechende Anschläge ausgebildet durch welche eine derartige Verschiebung verhindert ist

Aus den Fig.* und 5 ist der Querschnitt des mit einem Rippeneinsatz ausgestatteten Rohres 1 ersichtlich, der aus drei bzw. vier Blechstreifen entsprechend F i g. 2 bzw. F i g. 3 besteht Es ist aus den F i g. 4 und 5 deutlich ersichtlich, daß der den Längskanal 3 umgebende Ringquerschnitt des Rohres 1 durch die Verzahnungen der blechstreifen in einzelne Abschnitte unterteilt ist Durch einen derart gestalteten Rippeneinsatz mit dem Kanal 3, der in der Rohrmitte verläuft, wird

in der Rohrmitte die Strömungsgeschwindigkeit abgebremst, so daß das Entweichen beträchtlicher Flüssigkeitsmengen, die nicht zum Wärmeaustausch beitragen, in der Mitte des Rohres verhindert ist und andererseits das im engen Kanal 3 strömende Medium mit einer verhältnismäßig großen Rippenoberfläche in Berührung gelangt, wodurch hier der Wärmeaustausch begünstigt wird.

In dem Raum 4 zwischen dem Rohr 1 und dem Kanal 3 wird die Strömung nur durch die Zähne des _t0 Rippeneinsatzes gebremst, so daß man hier eine höhere Strömungsgeschwindigkeit als im Kanal 3 erhält. In diesem Raum 4 tritt eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen dem Rippeneinsatz und dem Strömungsmedium auf. weil die schmalen Zähne 6 des Rippeneinsatzes ι s die Ausbildung einer dichten Grenzschicht verhindern und durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des metallischen Einsatzes eine radiale Wärmeströmung gewährleistet ist. Außer einer solchen Wärmeleitung übt der F.insatz auch eine Mischwirkung aus, weil durch seine Zähne der ₂n äußere Rohrquerschnitt derart unterteilt ist, daß die hydraulischen Radien dort sich entsprechend der Zahnteilung stufenweise ändern. Für den aus vier Blechstreifen zusammengestellten Rippeneinsatz aus F i g. 3 ist diese Änderung des Strömungsquerschnittes >■; aus den F i g. 6a und 6b ersichtlich, in welchen Querschnittsansichten dargestellt sind, die um eine halbe Zahnteilung längs des Einsatzes aus Fig. 3 gegeneinander versetzt sind. Diejenigen Teile 5 des Strömungsquerschnittes, in denen ein geringer Strö- jo mungswiderstand vorhanden ist. liegen für den Schnitt aus Fig. 6a an beiden Seiten des Rippeneinsatzes. wohingegen sie für den Schnitt aus Fig. 6b über und unter dem Rippeneinsatz liegen. Durch diese Änderungen des Strömungswiderstandes wird das strömende Medium zu ständigen Richtungsänderungen gezwungen, wodurch im Raum 4 zwischen dem Rippeneinsatz und der Rohrwand eine Mischwirkung ausgelöst wird. aus welcher sich die Verbesserung der Wärmeübertragung ergibt.

Die Mischwirkung wird noch weiter verbessert, wenn die Zähne 6 wie aus Fig. 7 ersichtlich schräg zur Längsrichtung der Blechstreifen 2 angestellt sind. Durch eine solche Ausbildung wird auch das Einschieben und Herausziehen des Rippeneinsatzes erleichtert.

Die Mischwirkung wird noch zusätzlich verbessert. wenn die schräg verzahnten Blechstreifen 2 derart ineinandergesetzt werden, daß bei dem einen Blechstreifenpaar die Zähne 6 schräg in Strömungsrichtung. und bei dem anderen Blechstreifenpaar schräg in die der Strömungsrichtung entgegengesetzte Richtung weisen. wie dies aus F i g. 8 ersichtlich ist.

Sowohl bei der senkrecht zur Längsachse der Blechstreifen 2 ausgebildeten Zähnen 6 wie auch bei schräg dazu verlaufenden Zähnen werden deren Enden bevorzugt, wie aus den Fig.9 und 10 ersichtlich, in Längsrichtung des Biechstreifens verbreitert so daß die nahe an der Rohrwand liegende Oberfläche des Einsatzes vergrößert ist

Bei den Einsätzen kann auch der von d*;n Mittelab- ^₀ schnitten 7 der Blechstreifen umgrenzte Kanal 3 in das Vermischungsgebiet einbezogen bzw. dieses zur Erhöhung der Mischintensität vergrößert werden. Dies wird erreicht wenn in den Mittelabschnitten der Blechstreifen 2 U-förmige Ausschnitte ausgebildet und die _ω dadurch entstandenen Lappen schräg aus der Ebene der Blechstreifen herausgebogen werden. Dadurch entstehen die aus Fig. 11a und 11 bersichtlichen Leitplatten8, welche das an dem Einsatz in dessen Längsrichtung entlangströmende Medium durch die unier den Leitplatten 8 gebildeten Öffnungen von der einen auf die andere Seite des jeweiligen Blechstreifens leiten. Wenn die aus Fig. Ila und IIbersichtlichen Blechstreifen derart zusammengesetzt werden, daß die Leitlappen 8 für die jeweils benachbarten Blechstreifen 2 abwechselnd nach außen bzw, innen ragen, wie dies aus den Fig. 12a und 12b ersichtlich ist, bildet sich die durch Pfeile in diesen Figuren dargestellte Strömung aus, weil die nach außen abstehenden Leitplatten 8 die Flüssigkeit von außen in das Innere des Kanals 3 hineinleiten, wohingegen die nach innen ragenden Leitplatten 8 die Flüssigkeit aus dem Kanal 3 in den Raum 4 zwischen dem Kanal und der Rohrwand leiten. Die Leitplatten 8 weisen hierbei der Strömungsrichtung entgegen.

Da bei dem einen Blechstreifen 2 nur eine nach außen gerichtete Strömung, und bei dem jeweils benachbarten Blechstreifen 2 nur eine nach innen gerichtete Strömung auftritt, ist die Flüssigkeit im Raum 4 zwischen dem Einsatz und der Rohrwand aus Kontinuitätsgründen nicht nur zu Strömungen in Rohrlängsrichtung sondern auch seitlich dazu gezwungen. Wenn der Einsatz wie gemäß Fig. 12 aus vier Blechstreifen zusammengesetzt ist. entstehen somit vier spiralförmige Strömungswirbel entlang den Eckkanten des Einsatzes, wie aus Fig. 12b ersichtlich, so daß die jeweils in der Kernströmung vorhandene Flüssigkeit und die im Raum 4 zwischen dem Einsatz und der Rohrwand strömende Flüssigkeit dauernd gegeneinander ausgetauscht bzw. miteinander vermischt werden, wodurch sich die Wärmeübertragung bedeutend erhöht.

Solche Leitplatten 8 können bei allen beschriebenen Ausführungsformen der gezahnten Blechstreifen mit Vorteil ausgebildet werden. Der Einsatz aus gezahnten Blechstreifen 2 gewährleistet eine günstige Wärmeübertragung selbst dann, wenn der Einsatz nur lose an der Rohrwand anliegt. Dadurch läßt sich der Rippeneinsatz für Reinigungszwecke leicht ein- und ausbauen. In solchen Fällen jedoch, wenn eine Verschmutzung durch die im Wärmetauscherrohr strömende Flüssigkeit nicht auftritt, so daß die Reinigungsfreundlichkeit des Wärmetauschers keine Voraussetzung ist, kann auch ein enger Sitz des Rippeneinsatzes in dem Rohr vorgesehen werden, so daß sich der zusätzliche Vorteil aus dem engen Berührungskontakt zwischen den Enden der Zähne 6 des Rippeneinsatzes und der Rohrwand einstellt. Hierfür kann insbesondere durch die Ausführungsformen aus Fig. 13 gesorgt werden, bei welchen die Enden der Zähne sehr gleichmäßig und eng an der Innenfläche des Rohres I anliegen. Da der Einsatz, nach Fi g. 13a aus vier, und nach Fig. 13b aus drei dünnen, beidseitig gezahnten Blechstreifen zusammengesetzt ist. können die Zähne 6 leicht elastisch aus der Streifenebene herausgebogen werden, so daß sie unter der Elastizitätskraft federnd gegen die Rohrwand gedruckt sind. Da die Zähne 6 der Blechstreifen 2 im Rohr 1 nicht in dessen Radialrichtung, sondern in Richtung von Kreissehnen des Rohrquerschnittes verlaufen, also in einem von 90° abweichenden Winkel auf die Rohrwand treffen, wirken die Kräfte zwischen der Rohrwand und dem Rippeneinsatz für die elastische Verformung der Zähne der Blechstreifen nicht in deren Ebene, sondern quer dazu, so daß der Rippeneinsatz in dem Rohr nicht verklemmen kann. Durch die hohe Elastizität der dünnen Zähne 6 der Blechstreifen in der quer zu deren Ebene verlaufenden Richtung passen sich die Zähne leicht an innere Ungleichmäßigkeiten der Rohrwand an,

so daß ohne große Klemmkräfte ein gleichmäßiger und günstiger Berührungskontakt zwischen dem Rohr und dem eingeführten Rippeneinsatz erhalten wird, ohne daß für das Einschieben des Rippeneinsatzes in das Rohr große Kräfte aufgebracht werden müssen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Aus Blechstreifen mit rippenartigen Vorsprüngen aufgebauter Einsatz, insbesondere in Rohren s von Wärmetauschern, zur Verbesserung der Wärmeübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeder Blechstreifen (2) eine Verzahnung (6) aufweist, die sich in die Zahnlücken des benachbarten Blechstreifens (2) einfügt, und daß die Miltelab- schnitte (7) der genannten Blechstreifen (2) einen Kanal (3) bilden.

2. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelabschnitte (7) der Blechstreifen (2) einen Kanal (3) in Form eines regulären Polygons mit der Anzahl der eingesetzten Blechstreifen (2) entsprechenden Seiten bilden.

3. Einsatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus drei verzahnten Blechstreifen (2) zusammengestellt ist

4. Einsatz räch Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er aus vier verzahnten Blechstreifen (2) zusammengestellt ist

5. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen (2) Verzahnungen (6) senkrecht zu ihrer Längsachse aufweisen.

6. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen (2) schräg zu ihrer Längsachse verlaufende Verzahnungen (6) aufweisen.

7. Einsatz nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen (2) derart aneinandergepaßt sind, daß die schräg«; Verzahnungen (6) benachbarter Blechstreifen (2) gegensinnig ausgerichtet sind.

8. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Mittelabschnitt (7) abgewendeten Enden der Verzahnung (6) der Blechstreifen (2) den breitesten Teil der Zähne der Verzahnung (6) bilden.

9. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Mittelabschnitt (7) der Blechstreifen (2) Leitplatten (8) ausgebogen sind.

10. Einsatz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechstreifen (2) gegenseitig derart angeordnet sind, daß die Leitplatten (8) auf mindestens dem einen der Blechstreifen (2) zur Mittellinie der Vorrichtung weisen, wohingegen sie bei mindestens einem weiteren Blechstreifen entgegengesetzt weisend abstehen.

11. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Ende des Rohres (1) ein Anschlag eingebaut ist.

12. Einsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Verzahnung (6) ausgestattete Blechstreifen (2) an der Innenfläche des Rohres (1) bogenförmig verformt anliegt.

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