DE4205080C2 - Wärmeübertragungsröhre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsröhre mit einer inneren Oberfläche und einem Innendurchmesser (D), wobei die innere Oberfläche eine Mehrzahl von am Kopf ebenen, pyramidenähnlichen Rauhigkeitselementen aufweist, jedes Rauhig­ keitselement zu einem benachbarten Rauhigkeitselement in einem Abstand (P) ent­ fernt angeordnet ist, eine Höhe (e) über der inneren Oberfläche, eine Kopfbreite (a) und eine Grundbreite (b) aufweist und das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innen­ durchmesser (D) im Bereich zwischen 0,004 und 0,045 liegt.

Im Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht (DE-AS 20 32 891), ist eine Wärmeübertragungsröhre bekannt, die mit zwei einander kreuzenden Systemen ge­ gensinnig schraubenförmig verlaufender Innenzüge ausgestattet ist, durch deren Überschneidungen die am Kopf ebenen, pyramidenähnlichen Rauhigkeitselemente gebildet werden. Im allgemeinen sollen Rauhigkeitselemente bei Wärmeübertra­ gungsröhren die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche vergrößern und hierdurch die Wärmeübertragung dieser Wärmeübertragungsröhren verbessern. Die DE-AS 20 32 891 offenbart bestimmte Abmessungen für die Rauhigkeitsele­ mente der bekannten Wärmeübertragungsröhre, insbesondere unter Berücksichti­ gung des Aspektes der Betriebssicherheit dieser Wärmeübertragungsröhre beim Ein­ satz in einem Dampfkessel. Hierbei ist nämlich im Betrieb die äußere Wandfläche der Wärmeübertragungsröhre einer starken Flammenstrahlung ausgesetzt, wodurch die Gefahr gegeben ist, daß lokal ein Zustand auftritt, bei dem die kritische Wärmestrom­ dichte überstiegen ist, was zu einem Ausbrennen der Wärmeübertragungsröhre füh­ ren kann. Dabei ist unter kritischer Wärmestromdichte diejenige Heizflächenbelas­ tung gemeint, bei welcher das sprunghafte Ansteigen der Rohrwandtemperatur eine existierende Blasenverdampfung in Filmverdampfung umschlagen läßt. Es werden daher Abmessungen für die auf der inneren Oberfläche angeordneten Rauhigkeitse­ lemente offenbart, wodurch diese kritische Wärmestromdichte bei einer Wärmeüber­ tragungsröhre erhöht ist. Insbesondere über die Kopfbreite der Rauhigkeitselemente wird nichts ausgesagt. Hier kommt der Dimensionierung der Kopfbreite der pyrami­ denähnlichen Rauhigkeitselemente keine besondere Bedeutung zu.

Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von unterschiedlich ausgebildeten Wärmeüber­ tragungsröhren bekannt.

So zeigt die JP-Patents Abstracts 62-62 194 (A) und die US 3 684 007 eine glatte, ebene Oberfläche mit einer Vielzahl getrennter, erhöhter Teilabschnitte, welche die allgemeine Form einer Pyramide aufweisen.

Die US 4 794 983 und die US 4 880 054 zeigen auf der inneren Oberfläche eines röhrenförmigen Körpers vorspringende Bereiche mit Zwischenräumen. Diese Bereiche sind in einem Abstand P angeordnet und weisen eine Höhe H auf. Das Ver­ hältnis P/H des Abstandes P zur Höhe H der vorspringenden Bereiche liegt im Be­ reich zwischen 10 und 20.

Die US 4 402 359 zeigt pyramidenähnliche Rippen als integrale Bestandteile auf der äußeren Oberfläche einer zylindrischen Röhre. Die bevorzugte Höhe der pyrami­ denähnlichen Rippen liegt bei ca. 0,56 mm, wobei die pyramidenähnlichen Rippen mit Hilfe eines Rändel-Werkzeuges hergestellt werden, so daß ca. 20 "Reihen" pro 25,4 mm entstehen.

Die US 4 216 826 zeigt beispielhaft die äußere Oberfläche einer Röhre, welche dünne, die Röhre umschließende Rippen mit einem rechteckigen Querschnitt von ca. 1 mm Dicke und ca. 0,25 mm Höhe aufweist.

Die US 4 245 695 zeigt die äußere Oberfläche einer Wärmeübertragungsröhre, welche pyramidenähnliche erhöhte Teilabschnitte mit teilweise zylindrischer Form aufweist. Durch ein Versuchsbeispiel offenbart dieses Patent für die erhöhten Ab­ schnitte eine Höhe von 0,75 mm und einen "kreisförmigen Abstand" von 1,41 mm.

Die US 4 733 698 zeigt eine komplexe Anordnung von inneren Nuten oder Ril­ len, welche hervorspringende Teilbereiche mit dreieckigem Querschnitt aufweisen.

Die US 4 715 436 zeigt auf der inneren Oberfläche einer Wärmeübertragungs­ röhre eine Reihe von gleichmäßig beabstandeten hervorspringenden Teilbereichen. Jeder Teilbereich weist eine glatte, gekrümmte Oberfläche auf und wird durch eine Verformung der Röhrenwand auf der Außenseite gebildet. Das geringste Verhältnis des Abstandes zur Höhe der Teilbereiche ist ca. 5,6 (Z/E = 2,45/0,45).

Die US 4 330 036 ist der US 4 715 436 ähnlich. Sie zeigt eine Mehrzahl von Wülsten auf der inneren Oberfläche einer Wärmeübertragungsröhre.

Die US 4 660 630 und die US 4 658 892 zeigen die Innenflächen von Röh­ ren mit rippenartiger Struktur. Hierbei sind spiralförmig verlaufende Nuten durch "zu­ sammenhängende" Rippen getrennt.

Die Wärmeübertragung bei der im Stand der Technik bekannten Wärmeübertra­ gungsröhre, von der die Erfindung ausgeht, ist nicht optimal. So kann die Größe, Form und der Abstand der Rauhigkeitselemente noch weiter optimiert werden, um den Wirkungsgrad für den Wärmeübergang in Wärmeübertragungsröhren zu maxi­ mieren. Weiterhin ist die Herstellung der bekannten Wärmeübertragungsröhre, von der die Erfindung ausgeht, nicht nur äußerst aufwendig, sondern aufgrund der - nicht optimal - kreuzenden Systeme gegensinnig schraubenförmig verlaufender Innenzüge wird bei der Herstellung einer solchen Wärmeübertragungsröhre viel Material benö­ tigt, wodurch sich die Kosten für eine solche Wärmeübertragungsröhre erhöhen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Wärmeübertragungs­ röhre, von der die Erfindung ausgeht, derart auszugestalten und weiterzubilden, daß der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung optimiert und der Umfang des zur Herstel­ lung einer Wärmeübertragungsröhre notwendigen Materials verringert ist.

Die Aufgabe ist nun dadurch gelöst (vgl. Patentanspruch 1), daß das Verhältnis der Kopfbreite zur Grundbreite im Bereich zwischen 0,35 und 0,65 liegt. Weiterhin ist die Aufgabe dadurch gelöst (vgl. Patentanspruch 2), daß das Verhältnis des Abstandes zur Höhe im Bereich zwischen 2,5 und 5,0 liegt. Bei der erfindungsgemäßen Wärme­ übertragungsröhre ist nun die Größe, Form und der Abstand der Rauhigkeitselemente optimiert worden, wodurch der Wirkungsgrad für den Wärmeübergang maximiert ist. Gleichzeitig wird durch diese optimale Anordnung und Dimensionierung der pyrami­ denähnlichen Rauhigkeitselemente Material bei der Herstellung der erfindungsgemä­ ßen Wärmeübertragungsröhre eingespart, wodurch die Kosten für die Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsröhre wesentlich minimiert sind. Mit der er­ findungsgemäßen Wärmeübertragungsröhre wird nicht nur ein wirkungsvollerer und wirtschaftlicherer Wärmeübergang erzielt, sondern die erfindungsgemäße Wärme­ übertragungsröhre ist - aufgrund der optimalen Abmessungen der Rauhigkeitsele­ mente - in den unterschiedlichsten Verdampfern bzw. Verflüssigern einsetzbar. Da die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsröhre einen im wesentlichen optimalen Wär­ meübergang gewährleistet, ist auch eine kompaktere Bauweise von Verdampfern bzw. Verflüssigern möglich.

Es gibt daher verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist auf die nachgeord­ neten Patentansprüche und die nachfolgende Erläuterung von Ausführungsbeispie­ len der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläu­ terung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer "im Inneren" verbesserten Wär­ meübertragungsröhre,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße, optimale Anordnung der Rauhigkeitselemente für eine Wärmeübertragungsröhre nach Fig. 1,

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung mehrere Rauhigkeitselemente aus Fig. 2 im Schnitt,

Fig. 4(a) eine empirisch bestimmte grafische Darstellung der Materialeinsparun­ gen als Funktion der relativen Rauhigkeit in einem Koordinatensystem für einen Verflüssiger und einen Verdampfer,

Fig. 4(b) eine empirisch bestimmte grafische Darstellung der Materialeinsparun­ gen als Funktion der relativen Rauhigkeit für einen "Chiller-Verdampfer" und einen "Chiller-Verflüssiger",

Fig. 4(c) eine empirisch bestimmte grafische Darstellung der Materialeinsparun­ gen als Funktion der relativen Rauhigkeit für eine Kühlwasserschlange und

Fig. 5 eine empirisch bestimmte grafische Darstellung des optimalen Bereiches für die Verhältnisse der Form und des Abstandes der Rauhigkeitsele­ mente nach den Fig. 2 und 3.

Fig. 1 zeigt eine "im Inneren" verbesserte Wärmeübertragungsröhre 10, so wie sie für den Wärmeübergang zwischen zwei Strömungsmedien in einem Verdampfer, in einem Verflüssiger, in einer Kühlwasserschlange, in einem Röhrenkesselverdampfer oder in einem Röhrenkesselverflüssiger eines Kühlsystems eingesetzt werden kann. Natürlich kann diese Wärmeübertragungsröhre 10 auch bei anderen Wärmeübertragungsvor­ gängen zum Einsatz kommen, so daß diese verschiedenen Einsatzmöglichkeiten hier auch in Erwägung gezogen werden müssen.

Die Wärmeübertragungsröhre 10 weist eine Längsachse, einen Innendurchmesser D und eine innere Oberfläche 12 auf. Auf der inneren Oberfläche 12 sind Rauhigkeitse­ lemente 14 angeordnet, so daß der Wärmeübergang zwischen der inneren Oberfläche 12 und einem in der Wärmeübertragungsröhre 10 strömenden wärmeübertragenden Strömungsmedium erleichtert wird. Die Größe, der Abstand, die Form und die Dimen­ sionierung der Rauhigkeitselemente 14 relativ zum Innendurchmesser D und zu den benachbarten Rauhigkeitselementen 14 bestimmen die relative Rauhigkeit der inne­ ren Oberfläche 12.

Die Rauhigkeitselemente 14 werden durch Materialverformung ausgehend von der inneren Oberfläche 12 der Wärmeübertragungsröhre 10 gebildet, so daß auf diese Weise nur Rauhigkeitselemente 14 sich über die innere Oberfläche 12 hinaus er­ strecken. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Formung und Gestaltung der Rauhig­ keitselemente 14 durchzuführen. Die US 3 861 462, die US 3 885 622 und die US 3 902 552 offenbaren Verfahren zur Gestaltung von inneren Oberflächen von Röhren. In diesem Verfahren werden Rauhigkeitsele­ mente 14 auf einer ebenen Platte, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, gebildet und dann zu einer Röhre 10, wie in Fig. 1 dargestellt, gerollt. Die Größe der Rauhigkeitselemente 14 relativ zum Innendurchmesser D der Wärmeübertragungsröhre 10 ist so, wie die Fig. 2 und 3, die innere Oberfläche 12 der Wärmeübertragungsröhre 10 darstellend, diese zeigen.

Nach Formung der Rauhigkeitselemente 14, wie in Fig. 3 dargestellt, ragt jedes Rau­ higkeitselement 14 über die innere Oberfläche 12 mit einer Höhe e hinaus. In der be­ vorzugten Ausführungsform ist jedes Rauhigkeitselement 14 gleichmäßig von jeweils einem benachbarten Rauhigkeitselement 14 beabstandet. Jedes Rauhigkeitselement 14 weist im wesentlichen die Form einer am Kopf ebenen Pyramide auf. Die Form ei­ ner am Kopf ebenen Pyramide wird deshalb bevorzugt, weil diese leicht mit einem Arbeitsgang eines Rohr-Rändelwerkzeugs gebildet werden kann.

Die Höhe e jedes Rauhigkeitselementes 14 ist so dimensioniert, daß das Verhältnis e/D der Höhe e zum Innendurchmesser D im Bereich zwischen 0,004 und 0,045 liegt. Der Grund für die Wahl dieses Bereiches ist aus dem dargestellten Graphen für Mate­ rialeinsparungen als Funktion der relativen Rauhigkeit, dargestellt in Fig. 4 (a), (b) und (c), ersichtlich. Die Graphen zeigen die Materialeinsparungen als Funktion der relativen Rauhigkeit für einen "Chiller-Verdampfer" 16, einen "Chiller-Verflüssiger" 18, eine Kühlwasserschlange 20, einen Verflüssiger 22 und einen Verdampfer 24. Der Ausdruck "Chiller" ist ein Fachausdruck für z. B. einen Vorgang, bei dem ein Strö­ mungsmedium auf eine Temperatur gekühlt wird, welche unterhalb der Temperatur liegt, auf welche es abgekühlt werden würde, wenn Wasser als Kühlungsmittel be­ nutzt worden wäre (Perry Chemical Engineer′s Handbook, 6. Aufl., 1984, S. 11-3). Aus den Fig. 4(a) bis 4(c) ist ersichtlich, daß das Verhältnis e/D der optimalen Höhe e der Rauhigkeitselemente 14 zum Innendurchmesser D für Wärmeübertragungsröhren 10 im Bereich zwischen 0,011 und 0,019 liegt. Das Verhältnis e/D der Höhe e zum Innen­ durchmesser D ist für eine Verdampferschlange bei 0,0125, für eine Verflüssiger­ schlange bei 0,0125, für eine Kühlwasserschlange bei 0,019, für eine Röhrenkessel­ verdampferschlange bei 0,015 und für eine Röhrenkesselverflüssigerschlange bei 0,011 optimal. Die Materialeinsparungen stellen die Einsparungen des Röhrenmateri­ als für einen bestimmten Wärmeübertragungseinsatz relativ zu einer Wärmeübertra­ gungsröhre mit einer glatten, inneren Oberfläche dar, welche bei dem gleichen Wär­ meübertragungseinsatz bei gleichem Mindestmaß der Röhrenwandstärke, damit der­ selbe Berstdruck festgelegt ist, verwendet wird. Bei der erfindungsgemäßen Wärme­ übertragungsröhre 10 kann dies beispielsweise durch eine Verringerung des Innen­ durchinessers D und/oder durch eine Verringerung der Länge erreicht werden.

Wie in Fig. 3 dargestellt, sind die Rauhigkeitselemente 14 auf der inneren Oberfläche 12 gleichmäßig voneinander beabstandet. Dieser Abstand P ist willkürlich, aber zwi­ schen einander korrespondierenden Punkten bei benachbarten Begrenzungselemen­ ten 14 festgelegt. Der Abstand P ist so gewählt, daß das Verhältnis P/e des Abstandes P zur Höhe e im Bereich zwischen 2,5 und 5,0 liegt, wobei das bevorzugte Verhältnis P/e des Abstandes P zur Höhe e 3,0 ist.

Die Form der Rauhigkeitselemente 14 ist also optimiert, wie es in Fig. 5 grafisch dar­ gestellt ist. Hier ist in einem Koordinatensystem das Verhältnis b/P der Grundbreite b zum Abstand P zum Verhältnis a/b der Kopfbreite a zur Grundbreite b dargestellt. Das optimale Verhältnis a/b der Kopfbreite a zur Grundbreite b ist 0,45 und der optimale Bereich für das Verhältnis a/b liegt zwischen 0,35 und 0,65. Das optimale Verhältnis b/P der Grundbreite b zum Abstand P ist 0,67 und der optimale Bereich für das Ver­ hältnis b/P ist bevorzugt zwischen 0,3 und 0,8. Dadurch ist die Seitenwandneigung s der Rauhigkeitselemente 14 eindeutig durch die Gleichung tan s = (b - a)/2e definiert. Dies entspricht auch der Gleichung tan s = (b/P) (P/e) (1 - a/b)/2. Bevorzugt weist die Seitenwand eine Neigung von näherungsweise 32° auf.

Schließlich weist, in der bevorzugten Ausführungsform, jedes pyramidenähnliche Rauhigkeitselement 14 Ecken 26 auf. Bevorzugt zeigt eine Ecke 26 in Richtung auf das das Rauhigkeitselement 14 anströmende Strömungsmedium, wie es in Fig. 2 durch den Pfeil F dargestellt ist.

Der Gegenstand der Erfindung betrifft eine "im Inneren" verbesserte Wärmeübertra­ gungsröhre, wodurch der Wärmeübergang optimiert wird. Es ist offensichtlich, daß Veränderungen des Gegenstandes der Erfindung, wie er hier beschrieben ist, möglich sind. So ist z. B. eine Veränderung der Form der bevorzugten am Kopf ebenen Pyra­ mide für die Rauhigkeitselemente 14 möglich, so daß auch andere geometrische For­ men, welche die Grenzwertbedingungen erfüllen, möglich sind. Zusätzlich ist es auch möglich, daß der gleichmäßige Abstand der Rauhigkeitselemente, so wie er in Verbin­ dung mit der bevorzugten Ausführungsform beschrieben ist, verändert werden kann. So können Rauhigkeitselemente auch nur "eindimensional" beabstandet werden, vergleichbar zu den Rauhigkeitselementen, welche wie in Fig. 2 dargestellt "zweidi­ mensional" beabstandet sind. Alle diese Veränderungen müssen für den Gegenstand der Erfindung in Erwägung gezogen werden.

Claims (16)

1. Wärmeübertragungsröhre mit einer inneren Oberfläche (12) und einem Innen­ durchmesser (D), wobei die innere Oberfläche (12) eine Mehrzahl von am Kopf ebe­ nen, pyramidenähnlichen Rauhigkeitselementen (14) aufweist, jedes Rauhigkeitsele­ ment (14) zu einem benachbarten Rauhigkeitselement (14) in einem Abstand (P) ent­ fernt angeordnet ist, eine Höhe (e) über der inneren Oberfläche (12), eine Kopfbreite (a) und eine Grundbreite (b) aufweist und das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum In­ nendurchmesser (D) im Bereich zwischen 0,004 und 0,045 liegt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis (a/b) der Kopfbreite (a) zur Grundbreite (b) im Bereich zwischen 0,35 und 0,65 liegt.

2. Wärmeübertragungsröhre mit einer inneren Oberfläche (12) und einem Innen­ durchmesser (D), wobei die innere Oberfläche (12) eine Mehrzahl von am Kopf ebe­ nen, pyramidenähnlichen Rauhigkeitselementen (14) aufweist, jedes Rauhigkeitsele­ ment (14) zu einem benachbarten Rauhigkeitselement (14) in einem Abstand (P) ent­ fernt angeordnet ist, eine Höhe (e) über der inneren Oberfläche (12), eine Kopfbreite (a) und eine Grundbreite (b) aufweist und das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum In­ nendurchmesser (D) im Bereich zwischen 0,004 und 0,045 liegt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis (P/e) des Abstandes (P) zur Höhe (e) im Bereich zwi­ schen 2,5 und 5,0 liegt.

3. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) im Bereich zwischen 0,011 und 0,019 liegt.

4. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) im Bereich zwischen 0,004 und 0,019 liegt.

5. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) im Bereich zwischen 0,011 und 0,045 liegt.

6. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) nähe­ rungsweise gleich 0,0125 ist.

7. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) nähe­ rungsweise gleich 0,019 ist.

8. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) nähe­ rungsweise gleich 0,015 ist.

9. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) nähe­ rungsweise gleich 0,011 ist.

10. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rauhigkeitselemente (14) gleichmäßig beabstandet sind.

11. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis (P/e) des Abstandes (P) zur Höhe (e) näherungsweise gleich 3,0 ist.

12. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis (a/b) der Kopfbreite (a) zur Grundbreite (b) näherungs­ weise gleich 0,45 ist.

13. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Verhältnis (b/P) der Grundbreite (b) zum Abstand (P) im Bereich zwischen 0,3 und 0,8 liegt.

14. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (b/P) der Grundbreite (b) zum Abstand (P) näherungsweise gleich 0,67 ist.

15. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes Rauhigkeitselement (14) eine Seitenwandneigung (s) aufweist und daß die Seitenwandneigung (s) durch die Gleichung tan s = (b - a)/2e definiert ist.

16. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes Rauhigkeitselement (14) mindestens eine Ecke (26) aufweist und die Ecke (26) in Richtung auf das innerhalb der Wärmeübertragungsröhre (10) das Rauhigkeitselement (14) anströmende Strömungsmedium zeigt.