DE7620621U1 - Vorrichtung zum waermeaustausch - Google Patents

Description

PAT.E NTA N'W

DR.-ING. W. STUHLMANN^:-^:D'IPL.-INgV R. WILLERT DR.-ING. P. H. OIDTMANN

AKTEN-NR. 285/26537

Ihr Zeichen

463BOCHUM, 29.fi. I976 XR/' PostschtleGfnch 24 5O '.

Fernruf O234/1 40 Θ1

Bergstraße 159 ' Tolegr.t Stuhlmannpetent R. & G. Schmöle Metallwerke, 5750 Menden/Sauerland Vorrichtung zum Wärmeaustausch

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen einem bevorzugt viskosen und einem nicht viskosen Medium j die innerhalb eines das viskose Medium führenden _} in seiner axialen Länge begrenzten Ringraums zwei schraubenlinienförmig gewendelte, das nicht viskose Medium führende Rippenrohre gleicher Innen- und Außenkontur aufweist, von denen ein Rippenrohr koaxial in das andere Rippenrohr eingebettet ist,

Bei einer bekannten, zumeist als ölkühler verwendeten Bauart dieser Gattung wird der Ringraum einerseits durch einen zylinderförmigen Behälter mit in dessen endseitige Öffnungen eingesetzten Deckeln und andererseits durch ein den Behälter in Längsrichtung zentral durchsetzendes, an den Deckeln festgelegtes Rohr gebildet. Im Ringraum sind zwei jeweils paarweise gewendelte Rippenrohre koaxial ineinandergelegt. Die Zuflußbzw. Abflußstutzen der Rippenrohrwendel sind in einem der Behälterdeckel befestigt.

Das viskose Medium,in diesem Fall zu kühlendes Öl, wird an einem Knde des Behälters in das zentrale Rohr eingeleitet, in Längsrichtung durch das Rohr hindurchgeführt und am anderen Knde des Rohres durch radiale Öffnungen in der Rohrwand in den iüncraum hineinreleitet. Das Ol durchströmt dann entgegen die otrömunresrichtung im zentralen Leitrohr die Ringspalte, die in wesentlichen von der Innenwand des Behölters und den an-

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grenzenden Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel, von den einander benachbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel und von der Oberfläche des zentralen Rohres und den an- !

! grenzenden Rippenspitzen der inneren Rohrwendel gebildet werden,' sowie ferner die Räume zwischen den Rippen der Rippenrohre. Durch eine seitliche Öffnung in der Behälterwand in der Nähe der Einfüllöffnung tritt das gekühlte Öl wieder aus dem Behälter aus.

Das nicht viskose Medium, in diesem Fall Wasser, wird über den Einfüllstutzen in die inneren Rohrwendel hineingepumpt, durchströmt anschließend die inneren Rohrwendel bis zum entgegen-; gesetzten Ende des Behälters und fließt dann durch die äußeren Rohrwendel und den Auslaßstutzen wieder aus.

Bei dieser Bauart einer Vorrichtung zum Wärmeaustausch!

ist die Fachwelt bislang der Ansicht, daß zwischen der Innenwand des Behälters und den angrenzenden Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel, zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel und zwischen der Oberfläche des zentralen Leitrohres und den angrenzenden Rippenspitzen der inneren Rohrwendel große Abstände, d.h. Ringspalte mit größeren Querschnitten, vorhanden sein müssen. In konkreten Zahlen ausgedrückt, sollen diese Ringspalte eine Breite von je mindestens 2,0 mm haben. Bei einer Standardrippenhöhe von etwa 3,5 mm und einer Rippenteilung von elf bis zwölf Rippen auf 25,0 mm Rohrlänge beträgt dabei das Verhältnis zwischen der Rippenhöhe und der Breite der Ringspalte 1,75. Dieses Verhältnis wird von der Fachwelt als bislang optimal erreichbar angesehen, da man der Auffassung ist, daß Ringspalte kleinerer Breite zu solchen Druckverlusten führen, Vielehe die Bereitstellung von mehr Energie und folglich von entsprechend großen Maschinen erforderlich machen.

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Nachteilig an dieser Bauart ist jedoch, daß aufgrund der relativ großen Breite der Ringspalte der in den Ringspalten I strömende Anteil des viskosen Mediums eine wesentlich größere I Geschwindigkeit aufweist als der zwischen den Rippen, insbeson- ' dere im Innern der Rippentäler, strömende Anteil. Die hier langsamere Strömung hat eine intensivere Kühlung des entsprechenden Anteils des viskosen Mediums zur Folge, was mithin zu einer Erhöhung seiner Zähigkeit führt. Uie Höhe der Zähigkeit verringert aber die Strömungsgeschwindigkeit des Anteils in den Rippentälern noch mehr und führt hier zur Bildung einer zusammenhängenden Grenzschicht, die eine intensive Isolierwirkung zv/ischen dem in den Ringspalten fließenden und kaum einem Wärmeaustausch unterworfenen Anteiljdes viskosen Mediums und dem in den Rippenrohren fließenden nicht viskosen Medium/fcuhlmedium) hervorruft. Das Ergebnis ist, daß von dem durch die Vorrichtung zum Wärmeaustausch geschickten viskosen Medium nur ein relativ geringer Anteil in einem wirklich befriedigenden Umfang am Wärmeaustausch teilnimmt.

Der Neuerung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch der eingangs angegebenen Gattung so zu verbessern, daß unter Einhaltung der bisherigen Baugröße und ohne ein wesentliches Mehr an Material-und Fertigungsaufwand eine im Vergleich zu den bekannten Bauarten wesentlich höhere Leistung erzielbar ist.

Gemäß der Neuerung kennzeichnet sich die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß bei einer Rippenhöhe der Rippenrohre von etwa 3,7 bis ¹1,5 mm und einer mittleren Rippendicke zwischen etwa 0,25 und 0,6 mm auf 25,0 mm Rohrlänge zwischen neun bis vierzehn Rippen vorgesehen sind, wobei der Abstand zwischen der radial äußeren Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel < 1,0 mm, der Abstand zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen der

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äußeren und der inneren Rohrwendel <. 1,5 mm und der Abstand zwischen der radial innenlicgenden Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der inneren Rohrwendel < 2,0 mm bemessen sind.

Das wesentlichste Merkmal der Neuerung besteht in einer erheblichen Reduzierung der Breite der Ringspalte sowie in einer Vergrößerung der Rippenhöhe bei ansonsten gleichbleibenden inneren und äußeren Abmessungen der Vorrichtung. Dadurch, daß das viskose Medium nunmehr nahezu vollständig ausschließlich durch geschlossene kanalartige Bereiche zwischen den Rippen der Rohre hindurchgeführt wird, gelangt fast die gesamte Menge des viskosen Mediums in Kontakt mit den Rippen und unterliegt damit einem intensiven Wärmeaus tausch. Es können sich in den Rippent^:i lern keine zusammenhängenden Grenzschichten mehr aufbauen, so daß eine isolierende Wirkung zwischen den viskosen , und dom nicht viskosen Medium unterbunden wird. Dadurch, daß in j allen Querschnittsbereichen ein gleichmäßiger Wärmeaustauscheffekt herrscht, werden auch kurzfristig sich aufbauende Grenzschichten wieder sofort eingerissen und dem allgemeinen Strömungsverhalten unterworfen. Als weiterer Vorteil tritt hinzu, daß durch die engen Ringspalte zwischen der radial äußeren Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der j äußeren Rohrwendel, zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel sowie zwischen der radial innenliegenden Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der inneren Rohrwendel in diesen Bereichen Düseneffekte erzielt werden, die dazu führen, daß das viskose Medium nach dem Durchströmen der jeweils engsten Stellen seitlich abgelenkt und dann auf die in Stromungsrichtung nächstfolgenden Rippen aufprallt, von dort zurückgeworfen und dadurch intensiv verwirbelt wird. Interne Versuche haben gezeigt, daß in Rahmen der neuerungsmnßen Merkmale die Kühlleistung eines ölkühlcrs um ca. 50 % gegenüber den bekannten Bau-

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arten heraufgesetzt wird, Das bedeutet beispielsweise für einen solchen Ölkühler, dnß boi gleicher Baugrößo und nahezu Gleichem Materialeinsnt?, sowie gleichem Fortigungsaufwand wie bei der bekannten Bauart <'ll Innerhalb einer kürzeren Beit wesentlich intensiver gekühlt wird.

Obwohl bereits im Rahmen der grundlegenden Merkmale der Neuerung eine Erhöhung der Leistung um nahezu das Doppelte gegenüber der bislang bekannten Bauart erreichbar ist, besteht eine bevorzugte Ausführungsform der Neuerung darin, daß bei einer Rippenhöhe der Rippenrohre von etwa '1,0 mm und einer mittleren Rippendicke von etwa 0,25 bis 0,6 mm auf 25,0 mm Rohrlänge zwischen elf und zwölf Rippen vorgesehen sind, wobei die Summe der Abstände zwischen der radial äußeren Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der äußeren Rohrwendel, den einander benachbarten Rippenspitzen der äußeren und der inneren Rohrwendel sowie der radial innenliegenden Innenwand des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen der inneren Rohrwendel den Wert von 2,0 mm nicht überschreitet. Hiermit ist es möglich, das mittlere Verhältnis zwischen der Rippenhöhe und den Ringspalten im Vergleich zu der bekannten Bauart von 1,75 auf 5,0 bis 6,0 zu erhöhen.

Um eine Oberflächenvergrößerung auf der Innenseite

in den

der Rippenrohre zu erzielen und damit in dem/Rippenrohren fließenden nicht viskosen Medi'.m die Turbulenz zu erhöhen und gleichzeitig das Aufreißen sich eventuell bildender Grenzschichten intensiv zu unterstützen, sieht die Neuerung ferner vor, daß die Rippenrohre auf der Innenseite gewellt sind. Eine solche innenseitige Wellung führt dann zu einer um 60 % höheren Wärmeübergangszahl für das nicht viskose F-iedium als bei der bekannten Bauart und damit nochmals zu einer Leistungssteigerung. Die Wellung der Innenseite der Rippenrohre hat darüber hinaus den Vorteil, daß beim Wendeln der Rippenrohre der Ver-

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formungsvorgang sowohl auf eier Druck- als auch auf der Zugseite im Sinne eine,? Ziehharmonikaeffektes bedeutend begünstigt wird. Dabei ist es gemäß der Neuerung von Vorteil, daß die Wellung im mittleren Schnitt etwa 0,'I mm beträft und die Wellentäler zweckmäßigorweise etwa im Bereich der Hippenfüße angeordnet sind.

Die ist nachstehend anhand eines in der I

Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispieles n'iher erläutert,

! Es zeigen:

I⁵Ig. 1 eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch im vertikalen Längsschnitt im Schema,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt durch einen Längenabschnitt des Ringraums der Vorrichtung gemäß Fig. 1

und

Fig. 3 in nochmaliger Vergrößerung einen Längsschnitt durch die Rohrwandung eines in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 verwendeten Rippenrohres.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein zylindrischer Behälter bezeichnet, der an einem Ende durch einen Deckel 2 fest verschlossen ist. Der Deckel ist mit der Wandung 3 des Behälters verschweißt .

Koaxial zu einer in der Mitte des Deckels 2 eingearbeiteten Bohrung *J ist außenseitig ein Anschlußstutzen 5 mit einem Innengewinde 6 aufgeschweißt. Auf der Innenseite des Deckels ist in ebenfalls koaxialer Verlängerung zu der Durchtrittsbohrung ^l\ ein Rohr 7 an den Deckel angeschweißt, das den Behälter 1 nahezu auf seiner gesamten Länge koaxial durchsetzt.

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In das Innere des freien Rohrondabschnittes 8 ist eine zylindrische Schraubmuffe 9 eingesetzt und mit dem Rohr 7 verschweißt. Die rjchraubmuffe ist mit ihrem anderen Endabschnitt in eine zentrale Ausnehmung 10 eines weiteren Deckels n dichtend eingesetzt. Die Abdichtunß wird über eine radial wirksame Ringdichtung 12 bewirkt.

Der Deckel 11 greift seinerseits in den Behälter 1 hinein und ist gegenüber der radial äußeren Innenwand 13 des Behälters durch eine radial wirkende Ringdichtung l'-l abgedichtet. Mit einem Radialflansch 15 liegt der Deckel auf der Stirnfläche Iß des Behälters auf. Die Festlegung des Deckels am Behälter und die Befestigung der Schraubmuffe mit dem Deckel erfolgt durch eine Zylinderkopfschraube 17 mit Innensechskant.

Aus der Fig. 1 ist ferner zu erkennen, daß das zentrale Rohr 7 im Bereich der Schraubmuffe 9 radiale öffnungen besitzt. Ferner ist in einer Ausnehmung der Behälterwandung 3 in der Nähe des Deckels 2 ein sich mit seiner Längsachse radial zur Längsachse des Behälters 1 erstreckender Anschlußstutzen eingesetzt und verschweißt. Der Anschlußstutzen weist ein Innengewinde 20 auf.

In dem durch die Außenoberfläche 21 des zentralen Rohres 7 und die Innenwand 13 des Behälters 1 gebildeten Ringraum 22 sind schraubenlinienförmig gewendelte Rinpenrohre 23, 2'l eingesetzt. Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, laufen dabei zwei hintereinander angeordnete Rohrwendel 23 unmittelbar um das zentrale Rohr 7 herum, etwa von den radialen Austrittsöffnungen 18 ausgehend bis zum Deckel 2, und zwei weitere Rohrwendel 2'J von dort zurück, dabei die inneren Rohrwendel koaxial umgebend,bis zu den radialen Austrittsöffnungen 18 des zentralen Rohres. Alle Rohrwcndel sind im Bereich der Schraubmuffe 9 an Anschlußstutzen 25, 26 befestigt, die in dem Deckel 11 lösbar festgelegt sind.

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Wie die Pig, 1-3 bei gemeinsamer Betrachtung zeigen, ist der Ringraum 22 von den Rohrwondeln 23, 24 vollständig besetzt, Dabei ist der Ringspalt Λ zwischen der radial .'k'ßeren Innenwand 13 des Ringraums und den angrenzenden Rippenspitzen 27 der /lußoron Rohrwondol 24 < als 1,0 mm bemessen, Der Ringspalt B zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen 27, 28 der äußeren und der inneren Rohrwendel 24 und 23 ist <; als 1,5 mm bemessen und der Ringspalt C zwischen der radial innenliegenden Innenwand 21 des Ringraumes und den angrenzenden Rippenspitzen 28 der inneren Rohrwendel 23 ist< 2,0 mm bemessen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der dargestellton Vorrichtung mit einer Rippenhöhe h der Rippenrohre von etwa 4,0 mm (s. Fig. 3) und einer mittleren Rippendicke von etwa 0,25 bis 0,60 mm sind auf 25,0 mm Rohrlänge zwischen elf und zwölf Rippen 29 angeordnet. In diesem Zusammenhang beträgt die Summe der Breite sämtlicher drei Ringspalte A, B, C nicht mehr als 2,0 mm, '

Aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 3 ist er- '

i kennbar, daß die Innenseiten 30 der Rippenrohre 23, 24 gewellt j sind. Es ist zu sehen, daß dabei die Wellentäler 31 sich im Be- j reich der Rippenfüße 32 befinden. Die Wellung w ist im mittleren Schnitt etwa 0,4 mm bemessen. Die zeichnerischen Möglichkeiten erlauben es selbstverständlich nicht, ohne übertreibende Hervorhebung die Ringspalte A, B, C zwischen den Rippenrohren 23, 24 sowie zwischen den Rippenrohren 23, 24 und dom zentralen Rohr 7 bzw. der Bchälterwandung 13 zu veranschaulichen. Dio insofern bestehende zeichnerische Unzulänglichkeit muß jedoch aufgrund der technisch möglichen Strichstnrkcn in Kauf genommen werden, um das Wesen der Neuerung, d.h. dio unter fertigungstechnischen sowio montagetechnischen Gesichtspunkten geringsten Ringspalto, mit der notwendigen Deutlichkeit hervortreten zu lassen.

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Für den Betrieb der Vorrichtung sei noch erwähnt, daß diese beispielsweise in der Verwendung als Ölkühler über den Anschlußstutzen 5 nut öl versorgt wird. Das öl durchströmt dann das zentrale Leitrohr 7 und tritt über die radialen öffnungen l8 in den Ringraum 22 aus. Im Ringraum durchströmt es die Ringspalte A₃ Β, C zwischen den Rippenrohren 23, 2*1 bzw. den Wandungen 21 j 13 des zentralen Leitrohres 7 und dem Behälter 1 sowie die Räume ζ zwischen den Rippen 29 und fließt dann über den radialen Stutzen 19 wieder gekühlt ab. Das Kühlmedium Wasser wird über den Anschlußstutzen 25 in die inneren Rohrwendeln 23 eingeführt und tritt nach dem Durchströmen der inneren und der äußeren Rohrwendel 23, 2^ über den Anschlußstutzen 26 wieder aus.

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Claims (5)

PATIiNT DR1-INQ, W. STUHUMANN >~ DIPL.-ING. R, WILLERT DR.-ING. P. H, OIDTMANN AKTEN-NR. 285/26537 4 0!3BOOHUm1 29-6,1976 XR/ll PontnahlloOlnoh 3<l BO Ihr Zolohan Fornrgf 09CM/M0 01 PnrflslrnQn 1DO ΤοΙοογ,ι Sluhlnnnnnpntont R, AG, Schnitt Ig MGtallwerko 5750 Mendon/Cauorland ™ 'ι , Schutzansprüche:

1. Vorrichtung zum Wärmeaustausch zwischen einem bevorzugt viskosen und einem nicht viskosen Medium, die innerhalb eines das viskose Medium führenden, in seiner axialen Länge begrenzten Ringraums zwei schraubenlinienförmig gewendelte, das nicht viskose Medium führende Rippenrohre gleicher Innen- und Außenkontur aufweist, von denen ein Rippenrohr koaxial in das andere Rippenrohr eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet , daß bei einer Rippenhöhe (h) der Rippenrohre (23, 2'I) von etwa 3,7 bis '1,5 mm und einer mittleren Rippendicke zwischen etwa 0,25 und 0,60 mm auf 25,0 mm Rohrlänge zwischen neun bis vierzehn Rippen (29) vorgesehen sind, wobei der Abstand zwischen der radial äußeren Innenwand (13) des Ringraums (22) und den angrenzenden Rippenspitzen (27) der äußeren Rohrwendel (2'I) < 1,0 mm, der Abstand zwischen den einander benachbarten Rippenspitzen (27 bzw. 28) der äußeren und der inneren Rohrsonde 1 (2'l bzw. 23) < 1,5 mm und der Abstand zwischen der radial innenliegenden Innenwand (21) des Ringraums (22) und den angrenzenden Rippenspitzen (28) der inneren Rohrwendel (23) < 2,0 mm bemessen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß bei einer Rippenhöhe (h) der Rippenrohre (23, 2'I) von etwa 4,0 mm und einer mittleren Rippendicke von etwa 0,25 bis 0,60 mm auf 25,0 mm Rohrlänge zwischen elf und zwölf Rippen (29) vorgesehen sind, wobei die

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Summe der Abstände zwischen dor radial .'iußeron Innenwand (13) des IUnßraumn (22) und den angrenzenden Rippenspitzen (37) der äußeren Rohrwendol (?:'·\) , den einander benachbarten !Uppoi,spitzen (27 bzw. 28) der iiußoren und der inneren Rohrwendel (2Ί bzw, 23) sowie der radial innenliegenden Innenwand (21) des Ringraums (22) und den angrenzenden Rippenspitzen (28) der inneren Rohrwendel (23) den Wert von 2,0 mm nicht überschreitet,

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Rippenrohro (23₅ 2¹I) auf der Innenseite (30) gewellt sind.

'■I. Vorrichtung nach Anspruch 3₃ dadurch gekennzeichnet , daß die Wellung (w) im mittleren Schnitt etwa 0,'l mm bemessen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Ί, dadurch gekennzeichnet , daß die Wellentäler (31) etwa im Bereich der Rippenfüße (32) angeordnet sind.

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