DE68904200T2 - Oberflaechenvergroesserungselemente fuer waermeaustauschleitungen. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein oberflächenvergrößerndes Element für Wärmeübertragerrohre der Bauart, welche im einleitenden Teil des Anspruches 1 angegeben ist.
• Ein derartiges Element ist aus FR-A-981 567 bekannt.
• Wärmeübertrager der zur Rede stehenden Art weisen im allgemeinen parallele Rohre auf, welche unter Einhaltung von gleichen Abständen zwischen denselben angeordnet sind. Die oberflächenvergrößernden Elemente an benachbarten Rohren liegen im wesentlichen aneinander in gemeinsamen senkrechten Ebenen zu den Rohrachsen an, so daß die oberflächenvergrößernden Elemente in jeder derartigen gemeinsamen Ebene zusammen im wesentlichen ein vollständiges Gitter bilden, wobei diese Gitter den Gasstrom durch den Wärmeübertrager lenken. Die oberflächenvergrößernden Elemente an einem Rohr bedecken daher in geeigneter Weise eine viereckförmige, vorzugsweise quadratische Fläche, welche zentrisch um das Rohr vorgesehen ist.
• Auf diesem Gebiet sind zwei Arten von oberflächenvergrößernden Elementen bekannt, welche sich durch die Art und Weise unterscheiden, mittels der sie an dem Rohr befestigt sind.
• Eine erste Bauart umfaßt Platten, wobei die Platten eine Mittelöffnung haben, in welcher sich das Rohr befindet, welches fest an den Platten angebracht ist. Rechteckförmige oberflächenvergrößernde Elemente dieser Bauart sind in bekannter Weise an gegenüberliegenden Seiten mit Schlitzen von sich ändernder Länge versehen, welche senkrecht zu der zugeordneten Seite angeordnet sind, wie dies in FR-A-2 131 828 angegeben ist, oder diese sind vorzugsweise radial angeordnet, wie dies in CH-A-414 705 angegeben ist. Die Länge der Schlitze wird in Richtung der Ecken größer. Der Hauptvorteil bei auf diese Weise angeordneten Schlitzen ist in einer verbesserten Wärmeübertragung zu sehen.
• Die zweite Bauart der oberflächenvergrößernden Elemente, welche beispielsweise in FR-A-981 567 angegeben sind, weist im wesentlichen rechteckförmige Platten mit einer Länge auf, welche etwa das zweifache der Breite beträgt. Diese Platten haben eine im wesentlichen halbkreisförmige Ausnehmung in einer Längsseite und sind derart ausgelegt, daß sie mittels Widerstandsschweißen an dem Rohr angeschweißt werden können, so daß die Platten in einer Ebene senkrecht zur Achse und an gegenüberliegenden Seiten des Rohrs liegen. Wie in der US-A-4 648 443 angegeben ist, können derartige Elemente ebenfalls mit Schlitzen versehen sein.
• Im Hinblick auf die Herstellung ist die zweite Bauart von Platten zu bevorzugen. Es hat sich jedoch bei Experimenten gezeigt, daß die bekannten, oberflächenvergrößernden Elemente dieser Bauart nicht in zufriedenstellender Weise funktionieren. Sie haben eine unzufriedenstellende Wärmebilanz, was beispielsweise im Betrieb zu Deformationen führt. Eine solche Deformation bringt einen unkontrollierten Anstieg des Strömungswiderstandes im Wärmeübertrager mit sich, sowie die Gefahr daß Staub und Ruß sich schneller auf den Platten ablagern, wodurch es wiederum erforderlich wird, daß diese häufiger gereinigt werden müssen. Es hat sich somit gezeigt, daß der Wärmefluß in dem oberflächenvergrößernden Element eine ungleichmäßige Verteilung um das Rohr bei den bekannten oberflächenvergrößernden Elementen erhält.
• Wenn Wärme zwischen Medien mit stark unterschiedlichen Wärmeübertragungswerten übertragen wird, ist normalerweise die Wärmeübertragungsfläche, welche in Kontakt mit dem Medium mit einem niedrigeren Wärmeübertragungswert ist, mit oberflächenvergrößernden Elementen versehen, so daß der Wärmefluß zu jenem ausgewogen ist, den man auf der gegenüberliegenden Seite des Wärmeübertragers erhält.
• Dies ist beispielsweise bei Dampf- oder Heißwasserboilern oder bei Abgasvorwärmeinrichtungen der Fall, welche im Anschluß an derartige Boiler angeordnet sind, und in welchen Wasser durch die Rohre geht, während Abgase oder andere heiße Fluide die Außenfläche der Rohre üblicherweise in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der Rohre überstreichen. (Eine Längsströmung ist ebenfalls bekannt).
• Verschiedene oberflächenvergrößernde Elemente wurden über die Jahre hinweg entwickelt, welche Zapfen, Rippen, Platten und Streifen aufweisen, welche senkrecht zu den Rohren oder längs den Rohren angeschweißt sind, sowie Elemente in Form eines Bandes, welche schraubenlinienförmig um und längs des Rohrs vorgesehen sind.
• Bei den bekannten oberflächenvergrößernden Elementen hat es sich als schwierig erwiesen, die Herstellungskosten für die Wärmeübertrager zu begrenzen und zugleich solche Wärmeübertrager zu erhalten, welche sich leicht auf der Außenseite sauberhalten lassen und während des Betriebs nur einer vernachlässigbaren Verformung unterworfen sind.
• Die Erfindung zielt daher darauf ab, ein oberflächenvergrößerndes Element für Wärmeübertragerrohre der vorstehend genannten Art bereitzustellen, wobei sich das Element einfach und mit geringen Kosten verbunden herstellen läßt und sich auf einfache und billige Weise an dem Rohr anschweißen läßt, so daß man eine Konstruktion erhält, welche einen effizienten Betrieb gestattet.
• Wir haben gefunden, daß sich eine wirtschaftliche Herstellung und eine gute Funktion der Wärmeübertrager erzielen lassen, d. h. daß sich die Zielsetzung nach der Erfindung erreichen läßt, wenn das oberflächenvergrößernde Element die Merkmale hat, die im Anspruch 1 angegeben sind, d. h. seine Form an jene des Rohrs für das Widerstandsschweißen angepaßt ist und Schlitze hat, welche auf eine spezielle Weise angeordnet sind.
• Um günstige Schweißbedingungen zu haben, sollte der Radius der Ausnehmung im Element vorzugsweise geringfügig größer als der Radius des Rohrs, beispielsweise 1 mm größer, sein, was geeignet ist, wenn der Rohrradius eine Größe von etwa 20 mm hat. Eine homogene Schweißverbindung ist dann möglich.
• Ferner wird die Oberfläche des Rohrs und/oder der Ausnehmung vorzugsweise mittels einer Ablaufschleifscheibe geschliffen, so daß die Schleifeinkerbungen es gestatten, daß während des Schweißvorganges gebildete Gase abgezogen werden.
• Die Zungen in den Elementen, die von den Schlitzen gebildet werden können, können gewunden, gebogen oder auf eine andere Weise geformt sein, um eine verstärkte Turbulenz beim Durchgang des Fluids zu erzeugen. Das Fluid (Abgas) überstreicht die Ebene der oberflächenvergrößernden Elemente im wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Schlitze in den Elementen.
• Wenn man die Zungen hinsichtlich ihrer Breite gleich macht und diese nach der Erfindung durch die Schlitze voneinander trennt, welche allmählich weniger tief in Richtung auf die Seitenkanten des Elements werden, verformen sich die Zungen während des Betriebs weniger, und die Temperaturverhältnisse sind an ihren äußeren Enden, d. h. am Umfang der oberflächenvergrößernden Elemente, äquivalent, während zugleich die oberflächenvergrößernden Elemente in den gemeinsamen Ebenen in ausreichender Weise definierte Strömungswege für das äußere Fluid (beispielsweise Abgas) im Wärmeübertrager bilden.
• Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
• Figur 1 eine bevorzugte Ausführungsform eines oberflächenvergrößernden Elements nach der Erfindung, und
• Figur 2 eine Endansicht in Richtung der Pfeile VI-VI in Figur 1.
• Figur 1 zeigt ein oberflächenvergrößerndes Element nach der Erfindung, bei dem die Tiefe der Schlitze in Richtung auf die kürzeren Seiten des Elements kleiner wird. Die Schlitze sind somit im Mittelbereich der Längsrichtung des Elements tiefer. Die Veränderung der Tiefe der Schlitze in Kombination mit den Zungen 17 mit gleicher Breite führt dazu, daß man eine im wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung während des Betriebs an dem Umfangsbereich des oberflächenvergrößernden Elements erhält, wodurch seinerseits die Wärmeverformung vernachlässigbar wird.
• Wie in Figur 2 gezeigt ist, können die Zungen 17 zu einem abgewinkelten Querschnitt verformt sein, wobei benachbarte Zungen somit in Gegenrichtungen gebogen sind.
• In den Figuren 1 und 2 sind die Spitzen der Zungen mit den Linien 18 bezeichnet.
• Das Element 11 kann aus demselben Material wie das Rohr 18, beispielsweise Stahl, hergestellt sein. Es ist wichtig, daß das Material des Elements ein hohes Wärmeleitvermögen hat, da hierdurch der Wirkungsgrad verbessert wird. Wenn daher Stahl hierfür genommen wird, wird vorzugsweise ein Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt gewählt.
• Bei der Ausführungsform nach Figur 1 haben die Schlitze 14 bis 16 eine Breite von 6 mm, der Mittelschlitz 15 hat eine Tiefe von 25 mm und die äußeren Schlitze haben eine Tiefe von 15 mm. Die beiden Mittelzungen haben eine Breite von 19 mm und die beiden äußeren Zungen eine Breite von 22 mm. Die Länge des Elements 11 ist etwa 100 mm und seine Breite etwa 55 mm. Die Ausnehmung hat einen Radius von etwa 23,5 mm und eine Tiefe von etwa 17,5 mm. Der Abstand zwischen den Mitten der Rohre in Längsrichtung des Elements 11 beläuft sich auf etwa 108 mm, während der Abstand zwischen den Mitten der Rohre in Querrichtung des Elements sich auf etwa 125 mm in einem Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragers beläuft.
• Jedes Metallteil 11 hat eine Breite B, welche für den Einbau geeignet ist, wobei eine geeignete Breite sich etwa auf das zweifache des Außendurchmessers des Rohrs beläuft, sowie eine Tiefe von etwa 0,5 B hat.
• In einer Längsseite des Metallteils in seinem Mittelbereich ist eine im wesentlichen kreisförmige Ausnehmung vorgesehen. Der Radius dieser Ausnehmung ist etwas größer, beispielsweise 1 mm größer, als der Radius des Rohrs und ihre Tiefe ist kleiner als der Radius. Der Rand der Ausnehmung erstreckt sich somit über einen Winkel von etwas weniger als 180º hinweg. Zwischen zwei Metallteilen 11, welche an dem Rohr in ein und derselben Ebene angeschweißt sind, erhält man somit einen Spalt. Hierdurch wird das Anschweißen erleichtert und es wird auch ermöglicht, daß eine gewisse Gasmenge quer zur Ebene der Metallteile strömen kann.
• Die Radiusdifferenz stellt eine zufriedenstellende, homogene Schweißverbindung sicher, wenn das Widerstandsschweißen unter Andrücken ausgeführt wird. Die Qualität der Schweißnaht kann weiter verbessert werden, wenn die Oberfläche des Rohrs und/- oder die Befestigungskante des Metallteils in grober Weise geschliffen ist, so daß Schleifriefen ermöglichen, daß während des Schweißvorganges erzeugtes Gas abgezogen werden kann.

Claims (8)

1. Oberflächenvergrößerndes Element für Wärmeübertragerrohre, welches ein im wesentliches viereckiges Teil aus einem Metallblech (11) aufweist, welches im Mittelbereich einer Längsseite mit einer im wesentlichen halbkreisförmigen Ausnehmung versehen ist, welche sich über einen Winkel von weniger als 180º hinwegerstreckt und derart ausgelegt ist, daß sie an dem Rohr anschweißbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil aus Metallblech mit Schlitzen (14, 15, 16) versehen ist, welche sich von der anderen Längsseite des Metallteils ausgehen und im allgemeinen parallel zu den kurzen Seiten des Teils aus Metallblech (11) verlaufen, und daß die Länge der Schlitze (14, 15, 16) ausgehend von der Mitte des Metallteils in Richtung zu seinen kurzen Seiten abnimmt.

2. Oberflächenvergrößerndes Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des längsten Schlitzes (15) der Hälfte der Breite des Elements entspricht.

3. Oberflächenvergrößerndes Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen (17), welche in dem Element durch die Schlitze (14, 15, 16) gebildet werden, ausgehend von der Mittelebene des Elements verformt sind.

4. Oberflächenvergrößerndes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zungen (17), die von den Schlitzen gebildet werden, eine im wesentlichen gleiche Breite haben.

5. Wärmeübertragerrohr, welches mit oberflächenvergrößernden Elementen nach einem der Ansprüche 1 bis 4 versehen ist, dadurch gekennzeichnete, daß die oberflächenvergrößernden Elemente mittels Widerstandsschweißen an dem Rohr angeschweißt sind.

6. Oberflächenvergrößerndes Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Ausnehmung geringfügig größer als der Radius des Rohrs ist, an welchem das Element mittels Widerstandsschweißen anzubringen ist.

7. Wärmeübertragerrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche einer Schweißstelle am Rohr oder am oberflächenvergrößernden Element mit Kerben versehen ist, welche ein Abziehen des Gases von der Schweißstelle während des Widerstandsschweißverfahrens gestatten.

8. Wärmeübertragerrohr nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächenvergrößernden Elemente an dem Rohr paarweise einander gegenüberliegend angeordnet und angeschweißt sind.