DE3401606C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung der Wärmeübergangszahl von in Wärmetauscherrohren strömenden viskosen Flüssigkeiten, mit in dem Wärmetauscherrohr senkrecht zu dessen Achse angeordneten, Leitkanäle bilden­ den Leitelementen, die den Rohrinnenraum in Längsabschnitte unterteilen.

Es ist bekannt, daß die zum Schmieren und Kühlen der Lager von Dampfturbinen oder Gasturbinen dienenden Öle, die zwecks Entziehung der in den Lagern ent­ stehenden mechanischen Verlustwärme in einem Ölkühler abgekühlt werden müssen, schlechte Wärmeleiter sind und in den Rohren des Wärmetauschers laminar strömen.

Infolge der obenerwähnten Eigenschaften ist die Wärmeübergangszahl der Öle niedrig, was mit der nachteiligen Folge verbunden ist, daß deren Kühlung einen großdimensionierten und kostenaufwendigen Wärmetauscher beansprucht.

Die ungünstige Wärmeübergangszahl der laminar strömenden und eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Öle kann damit erklärt werden, daß entlang der Rohroberfläche die abgekühlte, mit einer niedrigen Geschwindigkeit strö­ mende Grenzschicht als eine Wärmeisolierschicht wirkt und die Bahn des Wärmestromes von dem wärmeren Öl in Richtung zur Rohrwand absperrt. Während das abgekühlte Öl mit einer niedrigen Geschwindigkeit auf der Rohr­ wand vorwärts strömt, quasi eine dichtere Schicht an der Rohrwand bildend, strömt das warme Öl im Mittelteil des Rohrs und wird kaum abgekühlt. Die Wärme kann dabei ausschließlich durch Wärmeleitung übertragen werden.

Bei bekannten Vorrichtungen pflegt man zur Verbesserung der Wärmeüber­ gangszahl eine longitudinal angeordnete innere Rippe zu verwenden. Das wesentliche dieser Konstruktion besteht darin, daß die Wärme in dem von den Rippen unterteilten Querschnitt einen kürzeren Weg überwinden muß, wodurch der Wärmewiderstand abnimmt. Hingegen besteht der Nachteil der Rippen darin, daß auf diese Weise der Widerstand, das Gewicht und dadurch die Produktions­ kosten derartiger Wärmetauscher erhöht werden.

Aus dem DE-GM 17 04 084 sind in eingangs erwähnter Art ausgebildete Einsätze für Wärmetauscherrohre bekannt, die im übrigen jedoch derart ausgebildet sind, daß eine weitgehende Vermischung des Kühlmediums im Inneren der Rohre mittels Durchwirbeln des Mediums herbeigeführt wird. Die Durchwirbelung hat jedoch den Nachteil, daß der Widerstand der Wärmetauscherrohre erheblich er­ höht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in eingangs erwähnter Art ausgebildete Vorrichtung zu schaffen, durch welche ein besserer Wärme­ übergang ohne wesentliche Durchwirbelung der Strömung erzielt werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Leitkanäle schräg zur Rohrachse verlaufen, derart, daß von den Leitkanälen die wandnahe Strömung zur Rohrmitte hin unter Verdrängung der Flüssigkeit aus der Rohrmitte zur Rohrwand ableitbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher der Rohrinnenraum von den Leitelementen in Längsabschnitte aufgeteilt ist, wird somit die an der Rohrwand dieser Längsabschnitte entstehende kältere Grenzschicht zu einem Platzwechsel mit dem in der Mitte des Rohrs strömenden wärmeren Öl ge­ zwungen, wodurch die Temperatur an der Rohrwand höher wird und daher auf­ grund der größeren Temperaturdifferenz zur Außentemperatur ein verbesserter Wärmeaustausch herbeigeführt wird. Dieser Platzwechsel der unterschiedlich warmen Ölströme findet während des Strömungsvorganges im Rohr von Längs­ abschnitt zu Längsabschnitt statt.

Die Fläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist klein und spielt bei der Wärmeübergabe kei­ ne Rolle, so daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Material ein beliebiger Kunststoff verwendet werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand vorteilhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Hilfe der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine mögliche Ausführungsform eines Leitelements und

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Aus Fig. 1 ist eine der möglichen Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich. Hier ist im Längsschnitt ein einzelnes Kühlrohr 1 eines Wärmetauschers gezeigt. In dem Rohr 1 sind, im axialen Abstand voneinander, nachein­ ander sich wiederholend, Leitelemente 2 in einer zu der Längsachse des Rohrs 1 senkrechten Ebene auf einem Be­ festigungsdraht 3 befestigt. An beiden Enden des Rohrs 1 ist der Befestigungsdraht 3 von Befestigungselementen 4 gehalten. Das Leitelement 2 besitzt Leitkanäle 6, deren Anzahl von Leitelement zu Leitelement verschieden sein kann. Im vorliegenden Fall besitzt das Leitelement 2 zwei Leitkanäle. Durch die Leitkanäle wird das an der Rohrwand des Rohres, in der laminaren Grenzschicht strömende kalte Öl und das in dem Mittelteil des Rohres 1 strömende warme Öl in Richtung der Pfeile 10 bzw. 11 abgelenkt, so daß das kältere Öl in Richtung zu dem Rohrinneren und das wärmere Öl in Rich­ tung zu der Rohrwand des Rohres strömt. In Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines mit zwei Leitkanälen versehenen Leitele­ mentes 2 dargestellt.

Eine andere Befestigungsart des Leitelementes 2 im Rohr 1 besteht darin, daß der Außendurchmesser des Leitele­ mentes 2 im nicht eingebauten Zustand größer als der Innendurchmesser des Rohres 1 ist, so daß das Leitele­ ment 2 nach erfolgter Montage auf Grund seiner Elastizi­ tät unter Druck an der Innenwandung des Rohres 1 anliegt und damit im Rohr 1 fixiert ist. Bei einer derartigen Lösung können der Befestigungsdraht 3 und das Befesti­ gungselement 4 entfallen.

Aus Fig. 2 ist eine weitere der möglichen Ausführungs­ formen des Leitelementes 2 ersichtlich. Der aus einem Leitring 5 ausgepreßte Leitkanal 6 lenkt die zwischen der Innenwand des hier nicht dargestellten Rohres 1 und dem Leitring 5 strömende Grenzschicht in Richtung zur Längsachse des Rohres 1 um. Diese Umleitung wird auch durch die ringförmige Stauplatte 7 gefördert, die gleichzeitig auch für den Preßsitz des Leitelementes 2 auf der Innenwand des Rohres 1 sorgt. Damit die konzentrische Anordnung des Leitelementes sichergestellt ist, sind am Außenum­ fang des Leitringes 5 Stützrippen 8 ausgebildet, die aus dem gleichen Material wie der Leitring 5 bestehen.

Eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs kann durch die in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform erreicht werden, bei der die auf dem Befestigungsdraht 3 befestigten Leitelemente 2 im Rohr 1 eine alternierende Hin- und Herbewegung durchführen. Diese Bewegung kann periodisch pulsierend oder in Abhängigkeit von dem jeweils erforderli­ chen oder gewünschten Wärmeübergang gesteuert erfol­ gen. Als eine derartige Bewegung ausführende Organe kön­ nen pneumatische Getriebeglieder verwendet werden, die jedoch vorteilhafterweise so ausgeführt sind, daß sie die Strömung im Rohr 1 nicht oder nur wenig behindern. Natürlich können die Leitelemente 2 auch so in Bewegung gesetzt werden, daß der Befestigungsdraht 3 mit einem äußeren Bewegungsmechanismus periodisch bewegt wird.

Eine weitere Möglichkeit nach Fig. 3 besteht darin, daß durch die Strömung des zu kühlenden Mediums eine zwischen dem Befestigungselement 4 und dem Befestigungs­ draht 3 befestigte Feder 9 gespannt wird und dadurch das Leitelement 2 in Bewegung setzt. Durch das periodische, in kurzen Intervallen vorgenommene Abstellen der Strö­ mung des zu kühlenden Mediums zieht die Feder 9 den Be­ festigungsdraht 3 und damit die Leitelemente 2 in die Grundstellung zurück. Auf diese Weise ziehen die Leit­ elemente 2 die kontinuierlich dicker werdende Grenzschicht von der Wand des Rohres 1 ab und zwingen diese in den mittleren Teil des Rohrquerschnitts, wo­ durch die Rohrwand für das wärmere Medium freigegeben wird. Das periodische Strömen des zu kühlenden Mediums kann durch eine beim Eintritt des Wärmetauschers ange­ ordnete, elektrisch betätigte und elektronisch gesteuer­ te Sperrvorrichtung oder jedwelche mechanische Konstruk­ tion erreicht werden. Es ist auch eine Lösung möglich, bei der die Bewegung mit der Energie des strömenden Me­ diums durchgeführt wird.

Außerdem kann die in dem Rohr 1 angeordnete Feder 9 der­ art ausgebildet sein, daß sie selbst als Leitelement dient. Für diesen Zweck ist es jedoch vorteilhaft, wenn der Außendurchmesser der Feder 9 annähernd gleich dem Innendurchmesser des Rohrs 1 ist und die Federwindungen ggf. ein für eine Ableitung der Flüssigkeit geeignetes Profil haben.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Erhöhung der Wärmeübergangszahl von in Wärmetauscher­ rohren strömenden viskosen Flüssigkeiten, mit in dem Wärmetauscherrohr senkrecht zu dessen Achse angeordneten, Leitkanäle bildenden Leit­ elementen, die den Rohrinnenraum in Längsabschnitte unterteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkanäle (6) schräg zur Rohrachse verlaufen, derart, daß von den Leitkanälen (6) die wandnahe Strömung zur Rohrmitte hin unter Verdrängung der Flüssigkeit aus der Rohrmitte zur Rohrwand ab­ leitbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente aus einer zur Rohrachse senkrechten ringförmigen Stauplatte (7) und einem stromauf derselben an dieser angesetzten Leitring (5) bestehen, dessen Außenumfang in geringem Abstand von der Rohrwand angeordnet ist und in welchem die in der Ringöffnung der Stauplatte (7) mündenden Leitkanäle (6) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitelemente (2) auf einem Befestigungsdraht (3) angeordnet und mit diesem in dem Rohr (1) periodisch bewegbar sind.