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Rohrförn-iger Wärmeühertragungskörper Die Erfindung betrifft rohrförmige
Wärmeübertragün,gskörper, die innen von einem gasförmigeri und außen von einem flüssigen
Mittel durch- bzw.umströmt werden, insbesondere für Rauchrohrkessel. Bei derartigen
Körpern wird zwecks erwünschter Vergrößerung der Wärmeübertragungsflächen (Heiz-oder
Kühlflächen) bekanntlich eine Rippenanordnung ,angewendet, wie dies z. B. bei Kraftwagenkühlern,
Rippenheizkörpern, Rauch;-gasvorwärmern usw. üblich ist. Früher hat man diese Rippen
durchweg nur an der Außenfläche der Rohre verwendet. Außene Rippenanordnungen weisen
.aber, abgesehen davon, @daß sie nur durch Gießen verhältnismäßig teuer hergestellt
werden können, dien Nachteil ,auf, daß in den Fällen, in denen, wie z. B. bei Lokomotidkesseln,
das. die Rohre außen berührende Mittel unter Druck steht, z. B. aus einer Druckflüssigkeit
(Druckwasser) oder aus Dampf besteht, Rohre mit außenliegenden Rippen aus Festigkeitsgründen
nicht angewendet werden können, im übrigen aber, wenn das Mittel jenes mit besserem
Wärmeübertragungsbeiwert ist, .auch zwecklos sind. Deshalb hat man für Rauchrohrgruppen
von Lokomotivkesseln, welche aus den erwähnten Gründen früher stets glattwandig
erzeugt wurden, . bereits Rohre mit innerer Rippenanordnung vorgeschlagen (Servesche
Röhre), in welchen, wie dies am oberen Rohr des in Fig. i der Zeichnung dargestellten
Rohrsatzes a ersichtlich ist, radiale Rippen b vorgesehen waren, durch welche also
in an sich richtiger Weise die Wärmeaufnahmeflächen gegenüber dem Mittel mit geringerem
Wärmeübertragungsbeiwerterhöht wurden. Diese Rohrgruppen haben aber praktischen
Anforderungen nicht entsprochen, da sie infolge der in jedem einzelnen zylindrischen
Rohr angewendeten inneren radialen Rippengruppen, die Einsehnürungen und Anschlagflächen
bilden, von den Rußablagerungen schon nach einer verhältnismäßig kurzen Gebrauchszeit
verstopft wurden. Außerdem befanden sich zwischen je zwei Rohrena derartiger Rohrsätze
sog. Rohrdämme c, d. h. vom Gesichtspunkt der Wärmeübertragung aus ungünstige Zwischenräume.
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Alle diese Nachteile werden bei rohrförmigen Wärmeübertragungskörperngemäß
vorliegender Erfindung dadurch vermieden, daß das gerade, an beiden Enden offene
Röhr länglichen Querschnitt, eine glatte Außenfläche und im Innern in der Längsrichtung
des. Rohres sich erstreckende, Rippen besitzt sowie in der Längsrichtung derart
geteilt ist, daß sich die Rippen der beiden Hälften aufeinander
abstützen.
Durch diese Ausbildung des Wärmeübertragungskörpers wird bei verschiedenen Wärmeübergangsbeiwerten
zwz-;; sehen der Wand des Wärm@eüberträgung#,K" körpers und den Mitteln, die den.
Korp,i einerseits umgehe und andererseits ib`*ii durchströmen, auf beiden Seiten
der Körper= wandeng mit möglichst geringem Werkstoffaufwand eine möglichst große
Wärmeübertragung bzw. die ,aus - technologischen und Festigkeitsgründen . vorteilhafte
Herstellungsm,öglichkeit durch Wälzen ,erreicht.
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Es sind zwar rohrförmige; in der Längsrichtung geteilte Wärmeübertragungskörper
mit länglichem Querschnitt und mit inneren Rippenteilen bereits bekanntgeworden,
doch wurde bei denselben einer Ungleichheit der Wärmeübertragungsbeiwerte keine
Rechnung getragen, da sich auch auf der äußeren Oberflache des Wärmeübertragungskörpers
Rippen befanden; die Körper dieser Art konnten also nur durch Gießen erzeugt werden.
Derartige Wärmeübertragungskörper, waren daher . als wasserumspülte Rauchgasrohne
nicht geeignet, und zwar nicht nur infolge der äußeren Rippen,. sondern auch deswegen,
weil sie aus zusammengeschraubten gußeisernen Hälften gebildet wurden, womit die
Anwendung als Kesselrohr, die einen erheblichen äußeren Druck auszuhalten haben
und deren Enden in Stirnwänden befestigt werden müssen, entfällt. Andererseits sind
auch Wärmeaustauscher aus gewalzten Profilkörpern bekanntgeworden. Bei diesen sind
jedoch die oben gekennzeichneten Eigenschäften der @erfindungsgem.äß getroffenen
@Äusbildun:g nicht vorhanden, so daß wichtige Bedingungen der Wärmeübertragung nicht
eingehalten sind.
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Es sind schließlich Spülversatzrohre vorgeschlagen worden, bei denen
eine der Zahl der Laufrinnen entsprechende Zahl mit Verdickungen gewalzter rinnenförmiger
Profileisen verwendet wurden, wobei ihre Schenkelenden verschweißt sind. Die für
diesen Sonderzweck benutzten Rohre haben aber einen inneren Überdruck auszuhalten.
Die geschweißten Längsnähte werden also ,auf Zug beansprucht, während die Längsnähte
der gemäß der Erfindung hergestellten Rohre auf Druck beansprucht werden, so daß
also die Schweißverbindung entlastet und nur der Dichtheit wegen @erforderlich ist.
Für diese Entlastung der Schweißverbindung bei den Körpern gemäß der Erfindung ist
es auch von großer Wichtigkeit, daß sich die Rippen gegeneinander abstützen; wären
die Rippten nicht vorhanden oder würden sie sich nicht gegeneinander ,abstützen,
so würden die Schweißnähte auf Biegung beansprucht werden. Im übrigen handelte @es
sich bei den erwähnten Rohren nicht tun Wärmeübertragungskörper, im besonderen nicht.
um solche, die innen von einem gasförmigen a sLVIittel durchströmt werden.-aus den
nachbeschriebenen Gründen Aie Temperatur der Innenrippen jene der #" Seitenwände.
des Wärmeüberträgungsköxpers a.
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übersteigt, so. werden die Rippen mit Rück-Sicht auf die aus diesem
Temperaturunterschied herrührenden Ausdehnungen zweckmäßig mit Quereinschnitten
versehen. Hierdurch werden noch weitere wesentliche Vorteile erzielt. Bei Wärmeübertragungskörpern
gemäß der Erfindung kommt es nämlich darauf an, den niedrigeren Wärmeübergangswert
auf der gasbespülten. Innenseite des Körpers durch eine zusätzliche Fläche mit Hilfe
der Innenrippen auszugleichen, so daß die Oberfläche i,m Innern des Wärmeüberträgtuigskörpers
größer wird als die äußere Oberfläche. Diese zusätzliche Oberfläche wird nun durch
die Quereinschnitte der Rippen in ihrer Wirksamkeit in hohem Maße gesteigert; so
daß die Grenzschicht der Gasströmung durch die Einschnitte jedesmal -eine Unterbrechung
erfährt, durch die die lamellare Strömung in der Nähe der Oberfläche gestört und
turbulent gemacht wird. Es wird .also Herreicht, daß über die gesamte Länge des
rohrförmigen Körpers eine Turbulenz im Gasstrom vorhanden ist, -die sonst nur am
Einströmende des rohrförmigen Körpers zu beobachten ist; denn es ist bekannt, d:aß
die Wärmeübergangsbeiwerte am Eintrittsende eines rohrfÖrmigen Körpers sehr viel
besser sind als dem Austrittsende zu, und daß diese höheren W,'ärmeübergangsbeiwerte
hauptsächlich von den Wirbeln herrühren, die sieh beim Einströmen in das Rohr bilden.
Die Quereinschnitte der Innenrippen bieten nun die Mög-
lichkeit, auf die
gesamte Rohrlänge' diese Wirbel immer wieder hervorzurufen und dadurch den Wärmeübergangsb@eiwert
ohne sonstige zusätzliche Hilfsvorrichtungen über die ganze Länge des rohrförmigen
Körpers zu steigern.
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Dadurch, daß sich die,Rippen der beiden Hälften des Wärmeübertragungskörpers
aufeinander abstützen, wird eine entsprechende Steifigkeit des rohrförmigen Körpers
erreicht. Andererseits ist aber .auch .eine verhältnismäßig leichte Durchbiegungsfähigkeit
des Körpers wenigstens meiner Richtung von Nutzen, wenn die Rohre als Rauchrohre
benutzt werden sollen und an den Enden in den Kesselwänden befestigt werden. Bei
einer solchen Verwendung wider Rohre sollen sich dieselben etwas durchbiegen können,
um einer verschiedenen Dehnung des Kesselmantels und der Rohre Rechnung tragen zu
können. Dies wird mit Hilfe der gemäß der Erfindung vorgesehenen Quereinschnitte
der Rippen
durch Verringerung des Trägheitsmomentes, bezogen auf
die ,große Achsre des Querschnittes des Körpers, im gewünschten Maße :erreicht.
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In den Fig. 2 bis 8 sind einige Aus= führungsbeispiele der Erfindung
.dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform in perspektivischer Ansicht, Fig.3
dieselbe Art des Körpers in einer für Hochdruck verwendbaren Ausführung, mit nach
außen gewölbten Seitenwandteilen, Fig. q. die Herstellung des Wärmeübertragun,gskörpers
aus einem Paar von gewalzten Platten, Fig.5 einen Längsschnitt des Körpers mit an
den Rippen vorgesehenen Ausdehnungs: spalten, Fig.6 die Verschweißung der Hauptbeile
eines Wärmeübertragungsk örpers mit großer Breite, Fig.7 die einfachere Ausführungsform
des Einbaues der Enden des Körpers in die Rohrwände und schließlich Fig.8 den federnden
Einbau der Enden des Körpers.
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Der Wärmeübertragungskörper mit zellenartigem Querschnitt besteht,
wie ,aus Fig.2 ersichtlich, eigentlich aus .einem ,abgefiachtlen Rohr, dessen Längsseiten
i durch finit diesen ein Ganzes bildende wärmeleitende Rippen 2 miteinander in Verbindung
stehen. Durch :die Rippen 2 wird außer :der Erhöhung der Wärmeaufna;hm:efläche auch
eine Versteifung der Längsseiten i erzielt. Die Rippen 2 begrenzen mit den Seitenwänden
i zusammen je ein Rohr oder je einen Xanal3 von recht eckigem Querschnitt,
die übereinander angeordnet einen vollständigen Rohrsatz bilden. Durch den ,äußeren
Teil q. der beiden äußersten Kanäle wird der Kanal- oder Rohrsatz in Halbkreisform,
abgeschlossen.
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Der Wärm:eübertragungskörper wird durch Walzen und Schweißen hergestellt.
Fig. q. veranschaulicht das Paar der gewalzten Platten i-i vor dem Zusammenschweißen.
Wie aus dieser Abbildung ersichtlich, setzt sich der Wärm:eübertragungsközp,er aus
zwei gewalzten, in, bezug ,auf die Halbierungs,eben!e der Rippen symmetrischen Hälften
zusammen. je eine gewalzte Hälfte stellt :eigentlich nichts .anderes dar wie einen
nebreneinandergewalzten T- oder U-Eisensatz, wobei durch die Füße dieser
Eisen die Seitenwand des Wärmeübertragungsk örpers und durch die Stege derselben
je seine Rippe 2 gebildet wird. Die Fußteile i dieser gewalzten T- od--r U'-Eisensä.tze
werden an beiden Endren, wie bei 5 ersichtlich, halbkreisförmig abgebogen. Werden
nun die beiden gewalzten Hälften, wie in Fig. q. dargestellt, so zusammengestellt,
daß die Rippen'2 einander gegenüberstehen und sich aufeinander abstützen, und die
abgebogenen Teile 5 entlang der sich berührenden Kanten 6 zusammengeschweißt, so
ist der Wärmeübertragungskörper fertiggestellt; eine weitere Vereinigung
(d. h. ein Verschweiß::n auch der Rippen) ist nicht erforderlich, :da der
Körper infolge seiner Bestimmung mieis.tens durch einen äußeren Druck beansprucht
wird, :durch :den die Rippen aneinandergedrückt werden, wobei die Längswände i einem
Druck von 15 bis 2o Atm. widerstehen.
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Für höhere Beanspruchungen werden die Seitenwände i zwischen den :einzelnen
Rippen in der aus Fig.3 ersichtlichen Weise nach außen gewölbt !und somit diese
Wände .auch gegen beträchtliche Außendrücke vollkommnen versteift. Werden die sich
aufeinander abstützenden Rippen 2 ebenfalls verschweißt, so kann der Wärmeübertragungskörper
auch auf Innendruck beansprucht wrerden.
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Körper mit gewalzten Seitenwänden und Rippen können für größere Breiten
in der aus Fig.6 ersichtlichen Weise hergestellt werden. Die gewalzten geradlinigen
Seitenwände i werden im Sinne der Fig. q. unter gegenseitiger Abstützung der Rippen
:einander g@egenübergesbellt ausgeführt. Da jedoch das Walzen von sehr breiten Körpern
,auf Schwierigkeiten stößt, werden .die Seitenbeile des Körpers durch -besondere
Abschlußteile 8 mit halbkreisförmigem Querschnitt gebildet, die nicht mehr aus einem
Stück mit den Seitenwänden i gewalzt, sondern aus- einer besonderen Platte ,auf
die in Fig.6 ersichtliche Formt gebogen oder .nach Art des Rohrziehens auf einer
Ziehbank hergestellt sind. Die geradlinigen, den Rippen 2 zugewendeten Seitenteile
.9 der Abschlußteile-8 bilden gleichfalls Rippen. Die Abschlußteile 8 werden an
den Stellen io an die gewalzten Sieitenwände i angeschweißt, womit der Wärmeüb:ertragungskörper
von großer Breite fertiggestellt ist.
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Da die Rippen des Wärmeübertragungskörpers die aufgenommene Wärme
in der Richtung ihrer Breite auf einem längeren Wege zur Wärmeabgabestelle leiten
als die Seitenwände i (in Richtung ihrer Stärke), so wird die Temperatur der Rippen
jene der Seitenwände übersteigen. Mit Rücksicht auf die aus diesem Temperaturunterschied
herrührenden Ausidehnungen werden die Rippen, wie aus Fig. 5 ersichtlich, bei i
i stellenweisse eingesägt, d. h. in ihnen Ausdehnungsspalten hergestellt.
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Der Wärmeüb:ertragungskö;rp:er wird in die Rdlirwand 13 in
der aus Abb. 7 ersichtlichen Weise derart eingebaut, daß das Ende 12 des Körpers
entlang der Aufnahmeöffnung der Röhrwand 13 bei 14 ringsum angeschweißt wird. Bei
größerer Rohrbreite wird -mit Rücksicht auf die erforderliche Ausdehnungs-J
möglichkeit
die aus Abb.8 ersichtliche federnde Art .des Einbaues .angewendet. In diesem Falle
werden am Ende 12 des Köxpers die Rippen 15 :ein kurzes Stück abgeschnitten, die
offenen Ränder der Seeibenwände i auf .die Form eines Ringes 16 mit halbkreisförmigem
Querschnitt (dessen Radius der gewünschten. Federung entsprechend gewählt wird)
in warmem Zustande zurückgebogen und bei 17 an die Rohrwand 18 angeschweißt. Soll
der. Wärm@eübertragungsköTper ausgewechselt werden, so werden die Schweißstellen
mit einem Meißel entfernt und die Ränder 16 zurückgebogen, worauf der Körper aus
der Rohmand herausgezogen. und durch einen heuen anzuschweißenden Körper ersetzt
werden kann.
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Bei Gasen und _ Flüssigkeiten mit niedrigerer Temperatur, insbesondere
bei Kondensatoren, kann der abgedichtete Einbau der Wäxmeübertragungskörper durch
eine Stopfbüchse bewirkt werden.