DE3737217A1 - Waermeaustauscherrohr - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Wärmeaustauscherrohr mit in Längsrichtung zueinander gleichmäßig distanzierten ebenen Querrippen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Um die Wärmeaustauschbedingungen an den Querrippen zu ver­ bessern, hat man rechtwinklig von den Oberflächen der Quer­ rippen abstehende Turbulatoren (Wirbelfüße) vorgesehen, die in die Fluidströmung ragen. Diese Turbulatoren haben einen rechteckigen Querschnitt. Sie werden aus dem Material der Querrippen gestanzt und anschließend umgebogen. Ihre Erstreckungsrichtung verläuft parallel zur Fluidströmungs­ richtung.

Mit Hilfe derartiger Turbulatoren konnten die Wärmeaustausch­ bedingungen im Vergleich zu vorsprungslosen Querrippen deut­ lich verbessert werden. Als Nachteil ist jedoch ein im Ver­ gleich zu dem verbesserten Wärmeübergang überproportionaler Druckverlust vorhanden.

Ausgehend von den im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebe­ nen Merkmalen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, die einen überproportionalen Anstieg der Druckverluste bei verbesserten Wärmeübergangsbedingungen vermeiden helfen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merk­ malen.

Aufgrund einer solchen speziellen Ausbildung und Anordnung der Turbulatoren wird in Strömungsrichtung gesehen hinter den Turbulatoren das Fluid verdrallt, und zwar derart, daß dort Längswirbel entstehen. Mit Hilfe dieser Längswirbel kann nun die rippennahe Grenzschicht, die im wesentlichen den thermischen Widerstand darstellt, mit relativ geringem Energieaufwand gewissermaßen umgewälzt werden. Dabei werden durch die erzeugte starke Rotation der Strömung senkrecht zur Fluidströmungsrichtung die rippennahen warmen oder kal­ ten Fluidschichten laufend durch die rippenfernen kalten bzw. warmen Fluidschichten ersetzt. Die extrem reibungsarmen Längswirbel bewirken hinter den Turbulatoren Bereiche mit örtlich erheblich verbesserten Wärmeübergangsbedingungen, so daß insgesamt der Wärmeübergangskoeffizient ohne gleich­ zeitige Erhöhung des Druckverlusts deutlich heraufgesetzt wird.

Die erfindungsgemäßen Turbulatoren entfalten ihre vorteil­ hafte Wirkung bei sämtlichen Querschnitten von Wärmeaustau­ scherrohren. Das heißt, sie können bei runden, elliptischen oder keilförmigen Rippenrohren eingesetzt werden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 wird ein besonders inten­ siver Längswirbel hinter jedem Turbulator erzeugt, der sich weit in die Fluidströmung erstreckt.

Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Grundgedan­ kens verkörpern die Merkmale des Anspruchs 3.

Die Versetzung ist hierbei so getroffen, daß die Längswirbel sich gegenseitig nicht nachteilig beeinflussen.

Die Merkmale des Anspruchs 4 tragen mit dazu bei, den Wärme­ durchgang zwischen dem im Rohr strömenden Fluid und dem das Rippenrohr anströmenden Fluid zu verbessern.

In diesem Zusammenhang hat sich bei internen Versuchen ge­ zeigt, daß der Wärmeübergang mit den Merkmalen des Anspruchs 5 noch mehr gesteigert werden kann.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Turbulatoren wird in den Merkmalen des Anspruchs 6 gesehen. Hierdurch werden auch die entsprechenden Ausstanzungen in den Querrippen bestimmt. Diese Form der Ausstanzungen wird als optimaler Kompromiß zwischen folgenden zum Teil gegenläufigen Forderungen be­ trachtet:

• a) hohe örtliche Wärmeübergangskoeffizienten,
• b) minimale Beeinträchtigung des Wärmeflusses innerhalb einer Querrippe,
• c) geringe Druckverluste,
• d) einfache Herstellung,
• e) problemlose Tauchverzinkung,

Bei Anwendung der Merkmale des Anspruchs 7 wird ein Eindrin­ gen der Turbulatoren in die Grenzschicht der benachbarten Querrippe ermöglicht. Neben dem Aufreißen der Grenzschicht wird als weiterer Vorteil erzielt, daß bei der in der Regel durchgeführten Tauchverzinkung eine feste Verbindung der Turbulatoren mit der benachbarten Querrippe gewährleistet werden kann. Außerdem werden hierdurch die wärmetechnischen Eigenschaften der Austauschfläche an den Turbulatoren durch den nunmehr günstigeren Rippenwirkungsgrad (1/2 Höhe) ver­ bessert. Hiermit ist gemeint, daß die Wärme aus den Turbula­ torflächen in Richtung auf beide benachbarte Rippen bzw. umgekehrt fließen kann.

Die hinterschnittene Gestaltung der Turbulatoren entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 8 ist mit dem Vorteil verbunden, daß die Turbulatoren unmittelbar zur Distanzierung von zwei benachbarten Querrippen herangezogen werden können. Hierbei genügt es, wenn nur ein Teil der Turbulatoren bezüglich ihrer Stirnkanten hinterschnitten ist.

Die Ausbildung und Anordnung der Turbulatoren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9 erleichtert ihre Herstellung.

Die Turbulatoren können nur einseitig oder zu beiden Seiten aus einer Querrippe abgewinkelt sein. Bei Anwendung der Merkmale des Anspruchs 10 werden günstige Druckdifferenzen erzielt, die Absaug- und Ausblaseffekte ergeben, welche sich positiv auf die Grenzschichtausbildung auswirken, d. h. die Grenzschichtdicken reduzieren.

Bei Wärmeaustauscherrohren, die aus zwei einander diametral gegenüberliegenden Richtungen angeströmt werden können, besteht die Möglichkeit, die Turbulatoren bezüglich der vertikalen Längsebene spiegelbildlich anzuordnen, um auf der jeweils angeströmten Seite, insbesondere bei runden oder ovalen Wärmeaustauscherrohren, optimale Wärmeübergangs­ bedingungen zu schaffen. Die Turbulatoren können dann als gleichseitige oder ungleichseitige Dreiecke ausgebildet sein.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längenabschnitt eines berippten keilförmi­ gen Wärmeaustauscherrohrs in der Perspektive;

Fig. 2 eine Stirnansicht auf das Wärmeaustauscherrohr der Fig. 1;

Fig. 3 in vergrößerter perspektivischer Darstellung einen Oberflächenbereich einer Querrippe mit einem Turbulator und

Fig. 4 den Bereich zwischen drei benachbarten Querrippen mit Turbulatoren gemäß einer weiteren Ausführungs­ form.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 ein keilförmiges Wärmeaus­ tauscherrohr bezeichnet, das innenseitig mit einem dampf­ förmigen Fluid und außenseitig entsprechend den Pfeilen FSR mit einem kälteren gasförmigen Fluid beaufschlagt wird.

Das Wärmeaustauscherrohr 1 ist mit einer Vielzahl von im Abstand A nebeneinander angeordneten ebenen Querrippen 2 bestückt. Die Querrippen 2 sind rechteckig ausgebildet.

Die Festlegung der Querrippen 2 auf dem Wärmeaustauscher­ rohr 1 erfolgt auf dem Wege des Tauchverzinkens.

Zur Erhöhung der Wärmeübergangsbedingungen sind aus den Querrippen 2 (Fig. 1 bis 3) Turbulatoren 3 abgewinkelt. Die Turbulatoren 3 haben einen im wesentlichen dreieckförmi­ gen ungleichschenkligen Querschnitt und werden durch Aus­ stanzen und Abwinkeln um etwa 90° aus den Rippenebenen ge­ bildet. Sie erstrecken sich in einem Winkel α von 15° zu der durch die Rohrachse RA sowie parallel zur Fluidströmungs­ richtung FSR verlaufenden Rohrlängsebene RLE. Außerdem wei­ sen sie in Fluidströmungsrichtung FSR sowie in Richtung auf die Rohroberfläche 11 ansteigende Gratkanten 4 auf.

Die Länge L der Turbulatoren 3 ist zu ihrer maximalen Höhe H wie 3:1,75 bemessen. Die maximale Höhe H entspricht etwa dem Rippenabstand A.

Wie insbesondere die Fig. 2 erkennen läßt, sind die Turbu­ latoren 3 sowohl in als auch quer zur Fluidströmungsrichtung FSR zueinander versetzt angeordnet. Auch zeigt die Fig. 2, daß die Turbulatoren 3, bezogen auf die Rohrlängsebene RLE, zu beiden Seiten symmetrisch angeordnet sind.

Durch die Turbulatoren 3 werden reibungsarme Längswirbel S gebildet, die in den Bereichen hinter den Turbulatoren 3 einen örtlich hohen Wärmeübergang gewährleisten. Sie reißen durch ihren starken Drall die Grenzschichten an den Querrip­ pen 2 auf und wälzen sie um, wobei die rippennahen warmen oder kalten Fluidschichten ständig durch die rippenfernen kalten bzw. warmen Fluidschichten ersetzt werden.

Mit 6 sind die durch die Anlaufkanten 12 der ausgestanzten Bereiche 10 gebildeten verdünnten Grenzschichtbereiche be­ zeichnet.

In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, bei welcher die Stirnkanten 7 der Turbulatoren 3′ mit den Oberflächen 8 der Querrippen 2 einen Winkel β < 90° ein­ schließen. Diese Ausführungsform gestattet es, die Turbula­ toren 3′ zur Distanzierung von benachbarten Querrippen 2 heranzuziehen, da die Spitzen 9 der Turbulatoren 3′ aufgrund der Hinterschneidungen an der benachbarten Querrippe 2 außer­ halb des ausgestanzten Bereichs 10 zur Anlage gelangen.

Claims (10)

1. Wärmeaustauscherrohr mit in Längsrichtung zueinander gleichmäßig distanzierten ebenen Querrippen, welche aus den Rippenebenen in verteilter Anordnung um etwa 90° abge­ winkelte Turbulatoren aufweisen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Turbulatoren (3, 3′) im wesent­ lichen dreieckförmig gestaltet sind und sich im Winkel (α) zu der durch die Rohrachse (RA) sowie parallel zur Fluid­ strömungsrichtung (FSR) verlaufenden Rohrlängsebene (RLE) erstrecken.

2. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulatoren (3, 3′) in Fluidströmungsrichtung (FSR) ansteigende Gratkanten (4) aufweisen.

3. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulatoren (3, 3′) sowohl in als auch quer zur Fluidströmungsrichtung (FSR) zueinander versetzt angeordnet sind.

4. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grat­ kanten (4) in Richtung zur Rohroberfläche (11) ansteigen.

5. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) zwischen den Turbulatoren (3, 3′) und der Rohrlängs­ ebene (RLE) 10° bis 30°, vorzugsweise etwa 15° beträgt.

6. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der Turbulatoren (3, 3′) zu ihrer maximalen Höhe (H) etwa wie 3:2 bis 3:1, bevorzugt 3:1,75 bemessen ist.

7. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Höhe (H) etwa dem Rippenabstand (A) entspricht.

8. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirn­ kanten (7) der Turbulatoren (3′) mit den Oberflächen (8) der Querrippen (2) einen Winkel (β) < 90° einschließen.

9. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Rohrlängsebene (RLE) die Turbulatoren (3, 3′) zu beiden Seiten symmetrisch angeordnet sind.

10. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbu­ latoren (3, 3′) paarweise wechselseitig zu beiden Seiten einer Querrippe (2) abgewinkelt sind.