DE9418641U1

DE9418641U1 - Wärmeaustauschrohr

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Publication number: DE9418641U1
Application number: DE9418641U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-11-22
Filing date: 1994-11-22
Publication date: 1995-03-02
Anticipated expiration: 2004-11-23

Description

Wärmeaustauschrohr

Hauptaufgabe von Wärmeaustauschrohren ist die Übertragung maximaler Wärmeleistung bei geringstmöglichem technisch-wirtschaftlichem Aufwand für den Rohrwerkstoff, für die Fertigung und für die Ausrüstung und den Einbau der Rohre in Wärmeaustauschern.

Zur Verbesserung der Wärmeaustauschleistung je Rohrlängeneinheit bei gegebenem Außendurchmesser eines Rohres wurden verschiedene Möglichkeiten bereits vorgeschlagen: Anordnung von Sickenringen in bestimmten Abständen, welche den Rohrquerschnitt an der Stelle der Sickenringe um einige Prozent reduzieren.

Ferner wurden sogenannte Drallrohre vorgeschlagen, welche der Strömung der Medien in Rohren einen zusätzlichen Drall aufzwingen und damit die spezifische Wärmeaustauschleistung erheblich erhöhen.

Nachteilig an den Sickenringen ist die starke Querschnittsverminderung an der Engstelle und das Fehlen einer den Wärmeaustausch unterstützenden Drallkomponente der Strömung.

Nachteilig an den Spiral- oder Drallrohren ist der Umstand, daß sie an ihren Enden einen Übergang zu einem glatten Rohrstück aufweisen müssen, um im Wärmeaustauscherbau eingesetzt und bspw. in Lochböden eingeschweißt werden zu können. Dies bedeutet den zusätzlichen Aufwand einer kunden- und rohrlängenabhängigen Anpassung der Wärmeaustauschrohre, die Erschwerung einer kostengünstigen Massenfabrikation und Vorrathaltung sowie eine sehr schwierige Standardisierung.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine starke Erhöhung der Wärmeaustauschleistung von Wärmeaustauscherrohren gegenüber glatten Rohren durch neuartige bzw. nur abschnittsweise Anordnung der oben genannten Einrichtungen zur Verbesserung des Wärmeaustausches bzw. durch Ausnutzung der draliändemden Wirkung von schräg zur Rohrachse geneigten oder spiralig verlaufenden Ein- und / oder Ausdellungen, welche in bestimmten oder unbestimmten Abständen entlang der Rohrlänge angeordnet sind.

Die Erfindung besteht in der abschnittsweisen und mehrfachen Änderung des Rohrquerschnittes, wobei mehrere verschiedene Rohrabschnitte regelmäßig oder unregelmäßig einander abwechseln, wobei i.a. nicht nur der Rohrquerschnitt entlang der Rohrlänge ständig variiert (wie z.B. bei Sickenrohren), sondern zusätzlich abschnittsweise die Drallkomponente der Strömung verändert wird, indem die entsprechenden Ein- oder Ausdeilungen an den entsprechenden Rohrabschnitten zur Rohrachse geneigt sind oder in Form spiralförmiger Ein- und / oder Ausdeilungen an den dafür vorgesehenen Rohrabschnitten vorliegen.

Die nicht-konturierten Rohrabschnitte liegen bei erfindungsgemäßen Ausführungen i.a. aiie 5 bis 30 cm Rohrlänge vor, derart eine einfache Anpassung an die zu bauenden Apparate, Anlagen oder Wärmeaustauscher möglich ist, indem die Sägeschnitte am Ende oder in der Mitte der nichtkonturierten Rohrabschnitte vorgenommen werden, d.h. es ergeben sich nicht die von konventionellen Drallrohren her bekannten Anschluß- und Handhabungsprobleme.

Die spiralförmigen Ein- oder Ausdeilungen entsprechen Leitblechen im Inneren von Rohren und erzeugen im Rohr eine Drailströmung, welche den Wärmeaustausch und den Stoffaustausch bzw. die Mischung der im Rohr fließenden Fluide wesentlich verbessern.

Bei geeigneter Form der Ein- und Ausdeilungen kann erreicht werden, daß der Rohr-Nenndurchmesser an den konturierten Rohrabschnitten nur minimal oder gar nicht reduziert ist und die Strömungsvertuste gegenüber dem glatten Rohr nur wenig erhöht sind.

Die Drallrichtung kann entlang der Rohrlänge gleichbleibend oder alternierend realisiert werden, wobei im 1. Fall die Spiraigänge an jedem Drall-Rohrabschnitt dieselbe Drehrichtung aufweisen oder im 2 , Fall einmal rechts- und dann wieder Hnksdrehend ausgeführt sind. Die erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohre eignen sich auch zur Mischung von Medien, d.h. als Rohrmischer.

Hauptkennzeichen der Erfindung ist die mehr oder weniger systematische Abwechslung von Rohrabschnitten mit i.a. rundem Querschnitt und Rohrabschnitten mit verändertem Rohrquerschnitt und vorzugsweise drallgebender Kontur,

Durch die erfindungsgemäße ständige Änderung der Strömungsform und der Bewegungsvektoren entlang einer Rohrstrecke in Verbindung mit drallgebender Rohrkontur ergeben sich sehr günstige Werte bezüglich Wärmeaustauschkoeffizienten und Stoffaustauschleistungen (starke Durchmischung der strömenden Medien während des Durchflusses). Die in oder um die erfindungsgemäßen Rohre bewegten Medien strömen immer nur so lange gleichartig und gleichmäßig, wie der entsprechende Rohrabschnitt lang ist, d.h. dieselbe Grundgeometrie vorliegt.

An der Wechselstelle zwischen benachbarten Rohrabschnitten ergibt sich zwangsweise eine instationäre Strömung, welche eine Verwirbelung, ein intensives Durchmischen und die Neubildung von Strömungsgrenzschichten, d.h. hohe Wärme- und Stoffaustauschkoeffizienten begünstigt.

Die einzelnen konturierten Rohrabschnitte entstehen i.a. aus einem glatten Rohr mit der vielfachen Länge eines einzelnen Rohrabschnittes durch mechanische oder sonstige physikalische Bearbeitungsverfahren, z.B. durch Einpressen von Konturen und Eindeiiungen mittels hydraulischer Preßwerkzeuge.

Die Realisierung von in den Abmessungen der Tiefe und Breite begrenzten nicht über den gesamten Rohrumfang verlaufenden bzw. geneigten oder spiralig verlaufenden Ein- und / oder Ausdellungen sowie deren versetzte Anordnung hat gegenüber konventionellen geschlossenen Sickenringen, deren Achse parallel zur Rohrachse verläuft, den Vorteil, daß der Rohrquerschnitt weniger stark reduziert wird: Reduktion nur um die Summe der Dellenquerschnitte gegenüber Dellentiefe mal Rohrdurchmesser mal Pi bei Sickenringen.

Die Erfindung wird anhand der Abbildungen 1 bis 11 in beispielhafter Form erläutert.

Abb. 1 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres im Querscnitt mit drei Stück spiralförmigen Eindellungen.(Rohrabschnitte 2, 4 und 6, Spiralsicken). Zwischen diesen Rohrabschnitten befinden sich Rohrabschnitte mit kreisrundem Querschnitt (Rohrstücke 1, 3, 5 und 7).
D.h. hier wechseln kurze Rohrabschnitte mit Eindellungen regelmäßig mit sehr viel längeren Rohrabschnitten ab, welche als glatte Rohre konstanten Querschnittes ausgeführt sind. Die beschriebenen Rohrabschnitte weisen materialmäßig eine Einheit auf, d.h. die konturierten Rohrabscnitte entstehen aus einem glatten Rohr durch mechanisch-physikalische Bearbeitung an den Stellen mit Dellen (Einpressen von Dellen).

Abb. 2 zeigt neben dem Querschnittsausschnitt von Abb. 1 die entsprechende zweite Querschnittshälfte direkt darunter, woraus die Gesamtkontur der Spiralgänge ersichtlich ist.

Abb. 3 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres, wobei im skizzierten Teil drei Rohrabschnitte jeweils 2 komplette Spiralwindungen in Form von Eindeliungen ins Rohr aufweisen.

Abb. 4 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres, wobei im skizzierten Teil zwei Rohrabschnitte jeweils 4 komplette Spiralwindungen in Form von Eindellungen ins Rohr aufweisen.

Abb. 5 zeigt einen Teil eines Rohres mit drei Abschnitten, welche Ausdellungen in Form von Spiralgängen mit je zwei kompletten Windungen (2 &khgr; 360 Grad) aufweisen. Im Gegensatz zu den in Abb. 1 bis 4 skizzierten Rohren ergibt sich hier keine Reduktion des Rohrquerschnittes im Bereich der konturierten Rohrabschnitte 2, 4 und 6.

Abb. 6 zeigt einen Teil eines Rohres mit im Vergleich zu Abb. 3 entgegengesetzter Draürichtung bei gleichem Aufbau mit 3 Stück spiralförmigen Eindellungen auf der skizzierten Rohrlänge mit je 2 Spiralwindungen.

Abb. 7 zeigt eine Ausführung eines Wärmeaustauscherrohres, bei welcher eine laufende Änderung des Strömungsquerschnittes stattfindet, wobei die damit einhergehende Änderung der linearen Strömungskomponente und die Strömungsvorgänge an den Querschnittsübergängen zu einer Verbesserung des Wärmeaustausches führen, in der gezeigten Ausführung wechsein die Rohrabschnitte 2, 4 und 6 mit dem Innendurchmesser D1 regelmäßig mit Rohrabschnitten 1, 3, 5 und 7 mit dem größeren Innendurchmesser D2 ab.
Die in Abb. 7 dargestellte Variante hat aber den Nachteil der Nichtnutzung der den Wärmeaustausch sehr stark verbessernden Drallkomponente von Strömungen.

Abb. 8 zeigt eine weitere Variante, wobei zwei verschieden konturierte Rohrabschnitte kombiniert sind, d.h. in Form einer rotationssymmetrischen Ausdellung (Abschnitt 2) und in Form von 2 spiralförmigen Ausdellungen mit gleicher Steigung und Windungszahl (Abschnitt 4 und 6 mit je einer Windung) vorliegen.

Abb. 9 zeigt dasselbe Prinzip der unregelmäßigen Anordnung von verschiedenartig konturierten Rohrabschnitten, wobei die Rohrabschnitte 2 und 6 dieselbe Steigung, die Rohrabschnitte 4 und 8 jedoch die genau entgegengesetzte Steigung aufweisen.

Abb. 10 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführung, wobei anstatt einzelner eingängiger Spiralgänge an jedem konturierten Rohrabschnitt (Abschnitt 2, 4 und 6) mehrere in Rohrlängsrichtung versetzt (gezeichnete Ausführung) oder nicht versetzt angeordnete Eindellungen mit der Grundform von Langiöchem vorliegen, wobei diese Eindellungen ( 8,9,10 bzw. 11,12,13 und 14,15,16 ) in ihrer Längsrichtung zur Rohrachse geneigt sind, derart bei Mediendurchfluß eine wirksame Änderung des Dralles der Strömung entsteht.

Abb. 11 zeigt eine weitere Ausführung, wobei die Eindellungen in Richtung des Mediendurchflusses (die angenommene Durchflußrichtung in den Abbildungen 1 bis 12 ist von links nach rechts) ihre Form verändern, d.h. eine größere Eindellungstiefe und ggfs. auch eine größere Dellenbreite aufweisen, wobei hierdurch die Drallwirkung gegenüber der Version gemäß Abb. 10 verstärkt wird. Durch die im konturierten Abschnitt in Strömungsrichtung erfolgende Querschnittsverjüngung entlang der Dellen entsteht neben Drall eine Diffusorwirkung, d. h. eine Beschleunigung und anschließende Verlangsamung der Rohrströmung, was mit einer Verbesserung der Wärmeaustauschleistung verbunden ist.

Abb. 12 zeigt ein Rohr, dessen konturierte Rohrabschnitte in Form mehrerer über den Umfang verteilter und in Reihen versetzt Hegender kreisrunder und relativ kleiner EindeÜungen realisiert sind.

Claims

SCHUTZANSPRÜCHE

1. Rohr für Wärmeaustauscher, Rohrmischer oder sonstige dem Stoff- und Wärmeaustausch dienende Apparate, welches aus mehreren im Aufbau unterschiedlichen Abschnitten zusammengesetzt ist, wobei in regelmäßiger oder unregelmäßiger Aufeinanderfolge nicht-konturierte oder normal-konturierte Rohrabschitte mit der Rohr-Grundform mit besonders bzw. bezüglich Form, Querschnitt oder Durchmesser abweichend konturierten Rohrabschnitten kombiniert sind, welche jeweils zu einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und / oder Strömungsform führen und zumindest teilweise bezüglich der Rohrachse nicht rotationssymmetrische Ein- und / oder Ausdeliungen aufweisen.

2. Rohr nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die besonders bzw. abweichend konturierten Rohrabschnitte eine stoffliche Einheit mit den nicht- oder normal-konturierten Rohrabschnitten bilden, wobei bspw. die besonders oder abweichend konturierten Ronrabschnitte aus einem entsprechend langen normalkonturierten Rohr durch mechanisch-physikalische Preß- oder Umformvorgänge an den zur Konturierung vorgesehenen Stellen hergestellt sind.

3. Rohr nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die besonders bzw. abweichend konturierten Rohrabschnitte aus mehreren Ein- und / oder Ausdellungen bestehen, welche in Form von mehrgängig angeordneten Spiraldellen winkelversetzt vorliegen, derart in diesen Rohrabschnitten eine sehr starke Änderung der Drallkomponente bei der Rohrströmung stattfindet bzw. derart Drall erzeugt wird.

4. Rohr nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die besonders bzw. abweichend konturierten Rohrabschnitte aus einer Anzahl i.a. kleiner und kreisrunder oder ellipsoider Ein- und / oder Ausdellungen bestehen, welche entweder in einer oder mehreren über den Umfang versetzten Reihen angeordnet sind, wobei diese Reihen vorzugsweise schräg zur Rohrachse bzw. spiralig verlaufen.

5. Rohr nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die besonders bzw. abweichend konturierten Rohrabschnitte mindestens aus einer, i.a. jedoch mehreren Ein- und / oder Ausdellungen bestehen, welche die Form eines Langtoches mit kreisrunden, ellipsenförmig oder spitz zulaufenden Enden aufweisen und vorzugsweise schräg zur Rohrachse liegen bzw. spiralig angeordnet sind und über den Rohrumfang verteilt bzw. versetzt orientiert sind.

6. Rohr nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die besonders bzw. abweichend konturierten Rohrabschnitte mindestens aus einer, i.a. jedoch mehreren Ein- und / oder Ausdeilungen bestehen, weiche jeweils in Richtung ihrer Achse oder in Richtung der Rohrachse einen variablen Querschnitt, d.h. eine sich ändernde Deiienbreite und / oder Dellentiefe bzw. Dellenhöhe aufweisen und damit eine Diffusorwirkung ergeben und vorzugsweise durch ihre schräge oder spiralige Anordnung bezüglich der Rohrachse eine Änderung der Drailkomponente der Strömung ergeben.

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7. Rohr nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die besonders bzw. abweichend konturierten Rohrabschnitte aus schräg zur Rohrachse liegenden und in sich geschlossenen und damit nicht rotationssymmetrischen Ein- und / oder Ausdellungen bestehen, wobei im Falle der technologisch leichter zu realisierenden Eindellungen gegenüber Standard-Sickenringen mit einer zur Rohrachse paraüelen Sickenring-Achse der Rohrquerschnitt weniger beeinträchtigt wird (Anwendung von Schräg-Sickenringen).

8. Rohr nach Anspruch 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,

daß verschiedene Rohrabschnitte gemäß Anspruch 2 bis 7 an demselben Rohr in gleichbleibenden oder unterschiedlichen Abständen angeordnet sind, wobei vorzugsweise bei jedem konturierten Rohrabschnitt über eine entsprechende Spiralensteigung oder über die Änderung der Neigung von Ein- und / oder Ausdellungen zur Rohrachse eine ständige Änderung des Dralles der Rohrströmung erfolgt.