EP0770845A2

EP0770845A2 - Rohr für Wärmeaustauscher mit wirbelerzeugenden Stromstörungselementen

Info

Publication number: EP0770845A2
Application number: EP96115774A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dipl.-Ing. Hederich; Jürgen Dr.-Ing. Künzel; Manfred Dipl.-Ing. Nedoschill
Original assignee: SGL Technik GmbH
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 1995-10-26
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1997-05-02
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: DE29516927U1; EP0770845A3; EP0770845B1; DE59610685D1

Abstract

Die Wärmeaustauschleistung von Rohren (1) aus schwer formbaren metallischen oder aus keramischen Werkstoffen mit im wesentlichen glatten Innenoberflächen für Rohrbündelwärmeaustauscher wird verbessert, indem der Innenraum der Rohre mit einem strangförmigen Einsatz (4) versehen wird, dessen äußere Oberfläche mit in der Fluidströmung im Rohr Turbulenzen erzeugenden Profilierungen wie Wellen oder Noppen (6,12,13) versehen ist. Bevorzugte Einsätze sind Wellrohre aus chemisch resistenten und thermisch beständigen Kunststoffen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Rohr für Rohrbündel von Wärmeaustauschern mit im Inneren des Rohres befindlichen, in der Strömung im Rohr Turbulenzen erzeugenden Elementen.
Es ist bekannt, den Wärmeübergang zwischen Fluiden und diese begrenzenden Wänden durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit oder durch Erzeugung von Turbulenzen in der Strömung zu verbessern. Solche Turbulenzen werden durch wirbelerzeugende Stromstörungselemente erreicht. Vorbekannte Rohre dieser Art weisen im Prinzip Profilierungen der Rohrinnenfläche im Sinne von Wellungen, Vorsprüngen, Rippen oder dergleichen auf.
Die Anordnung wirbelerzeugender Stromstörungselemente auf der Innenfläche der Rohre wird dann problematisch, wenn das einzelne Rohr des Wärmeaustauschers aus einem Material besteht, dessen Wand nicht in der herkömmlichen Art verformt werden kann. Dies trifft insbesondere auf Rohre zu, die im Strangpreßverfahren hergestellt werden müssen. Hierzu offenbart die DE-OS 35 21 914, im einzelnen Rohr Stege anzuordnen, die das Rohr nicht völlig durchsetzen und wellenförmig geformt sind. Eine solche Formgebung ist aber nur im Strangpreßverfahren für Leichtmetall, insbesondere Aluminium denkbar, wo es durch geeignete Ausbildung des Rezipienten möglich ist, solche gewellten Stege herzustellen.
Dieses bekannte Verfahren ist aber dort nicht anwendbar, wo sich das Material des Rohres nicht in der bekannten Weise beim Strangpressen oder einem anderen Verfahren verformen läßt. Dies ist insbesondere bei Rohren aus metallischen Werkstoffen wie Titan, hochlegierten Stählen, Nickelbasislegierungen oder Rohren aus Siliciumcarbid und aus Graphit der Fall. Wärmeaustauscher mit Graphitrohren werden bevorzugt zum Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten, Dämpfen oder Gasen verwendet, die ein chemisch resistentes Rohrmaterial voraussetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Rohre für die Verwendung in den Rohrbündeln von Rohrbündelwärmeaustauschern so auszubilden, daß sie in ihrem Inneren wirbelerzeugende und/oder die Strömungsgeschwindigkeit steigernde, die Fluidströmung störende Elemente aufweisen, ohne daß es auf die Verformbarkeit des Rohrmaterials ankommt. Im speziellen sollen durch die Erfindung Rohre aus Materialien, die schwer verformbar sind, insbesondere Rohre aus Graphit zugänglich sein, die eine verbesserte Wärmeübertragungsleistung aufweisen.
Die Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Innenwand des Rohres von die Fluidströmung im Rohr beeinflussenden Erhebungen und Vertiefungen frei ist und sich im Innenraum des Rohres ein rohr- oder stabförmiger Strang befindet, dessen äußere Oberfläche die Form a) eines im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung im Rohr liegenden Gewindes oder b) von in gleicher Weise angeordneten Wellen hat oder c) mit Noppen oder Stacheln besetzt ist, daß der Strang, mit Ausnahme einer höchstens linienförmigen Berührung mit der inneren Oberfläche des Wärmeaustauscherrohres, im Abstand von dieser inneren Oberfläche positioniert ist, so daß zwischen dem Strang und der inneren Oberfläche des Wärmeaustauscherrohres ein Raum für das Durchströmen des Wärmeaustauscherrohres mit einem Fluid vorhanden ist.
Eine auf paarweise nebeneinander liegende Rohre von Rohrbündelwärmeaustauschern beschränkte Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 2 wiedergegeben. Dieser Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der Rohre von die Fluidströmung in den Rohren beeinflussenden Erhebungen und Vertiefungen frei ist, daß sich im Innenraum der Rohre ein rohr- oder stabförmiger Strang befindet, dessen äußere Oberfläche die Form a) eines im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung in den Rohren liegenden Gewindes oder b) von in gleicher Weise angeordneten Wellen hat oder c) mit Noppen oder Stacheln besetzt ist, daß der Strang mit Ausnahme einer höchstens linienförmigen Berührung mit den inneren Oberflächen der Wärmeaustauscherrohre im Abstand von diesen inneren Oberflächen positioniert ist, so daß zwischen dem Strang und der inneren Oberfläche der Wärmeaustauscherrohre ein Raum für das Durchströmen der Wärmeaustauscherrohre mit einem Fluid vorhanden ist, daß der Strang U-Form hat, daß sich die Schenkel des U des Stranges in jeweils zwei benachbarten Rohren eines Wärmeaustauschers befinden und der die Schenkel verbindende Bogen des U außerhalb der Rohre angeordnet ist.
Die nachgeordneten Ansprüche stellen Ausgestaltungen der Erfindung und Anwendungen der erfindungsgemäßen Lösung dar. Sie werden hiermit in den beschreibenden Teil eingeführt.
Durch die Maßnahmen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 werden in der das Rohr durchsetzenden Strömung mit einfachsten Mitteln Turbulenzen erzeugt. Gleichzeitig kann die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr erhöht werden. Beide Maßnahmen, das Hervorrufen von Turbulenzen und die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren führen jede für sich allein zu einer Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung der Rohre. Werden beide Maßnahmen gleichzeitig angewandt, so ist die Wärmeübertragungsleistung entsprechend höher. Zur Erzielung der beschriebenen Effekte muß lediglich ein passend profilierter Strang in das Rohr eingesetzt werden. Da diese Maßnahme nicht an die Rohrherstellung gekoppelt ist, können Wärmeaustauscherrohre zu jeder Zeit ihrer betrieblichen Existenz mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüstet werden. Es können sowohl Neuanlagen als auch bereits in Betrieb gewesene Anlagen damit bestückt werden. Letztere Möglichkeit ist besonders für die Anpassung bereits bestehender Wärmetauscher an geänderte Betriebsbedingungen von Vorteil. Aber auch bei der Auslegung von Neuanlagen sieht sich der Konstrukteur häufig mit Zwängen konfrontiert, bei deren Umgehung er von der Erfindung in vorteilhafter Weise Gebrauch machen kann. Wenn er beispielsweise aus räumlichen Gründen an eine bestimmte Wärmeaustauschfläche gebunden ist, mit der die verlangte oder erforderliche Austauschleistung mit normalen Rohren nicht erbracht werden kann, kann er nun auf die erfindungsgemäße Lösung zurückgreifen und die Leistung auf einfache Weise erhöhen. Bei Bedarf kann die Leistung zu einem späteren Zeitpunkt durch Entnahme aller oder eines Teils der Stränge wieder gesenkt und anderen Gegebenheiten angepaßt werden. Von diesem Beispiel ist leicht ableitbar, daß mit den Mitteln der Erfindung unter Konstanthalten der Wärmeaustauschleistung im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeaustauschern auch die Abmessungen von Wärmeaustauschern verringert werden können, indem der durch die Anwendung der erfinderischen Maßnahme erzielte Leistungsgewinn zur Reduzierung der Länge der verwendeten Rohre oder zur Verringerung von deren Anzahl im Wärmeaustauscher eingesetzt wird. Im ersteren Fall wird der Austauscher kürzer, im anderen schlanker. In manchen Fällen ergibt die verfahrenstechnische Auslegung, daß Rohre mit sehr kleinen Innendurchmessern erforderlich sind. Derartige Rohre sind aus produktionstechnischen Gründen und/oder wegen ihrer großen Bruchempfindlichkeit, wenn sie z.B. aus Siliciumcarbid oder Kohlenstoff bzw. Graphit bestehen, mit wirtschaftlich tragbarem Aufwand nicht herstellbar. Durch die Erfindung ist es nunmehr möglich, auch in den Bereich der Anwendung derartiger, schwer herstellbarer und praktisch nicht anwendbarer Rohre vorzustoßen, indem größere, mechanisch stabilere und mit vertretbarem Aufwand hergestellte Rohre herangezogen werden und diese durch Einsatz von Strängen gemäß der Erfindung so abgewandelt werden, daß sie dem technischen Wirkungsbereich der kleineren Rohre voll entsprechen.
Die Erfindung ist auf alle Arten von Rohren für Wärmeaustauscher anwendbar, die das Einführen von erfindungsgemäßen Strängen erlauben.
Eine spezielle Bedeutung erlangt die Erfindung jedoch für solche Wärmeaustauscher, durch die flüssige, gasförmige oder dampfartige Materialien geleitet werden müssen, die chemisch widerstandsfähiges Material für die Rohre voraussetzen. Für solche Wärmeaustauscher sind Rohre aus speziellen, schwer verarbeitbaren metallischen Werkstoffen wie Titan, Titan-Palladium-Legierungen, hochlegierten Stählen oder Nickelbasislegierungen oder aus Keramik wie Siliciumcarbid und insbesondere aus Graphit geeignet. Ein besonderes Merkmal dieser Werkstoffe und hier speziell des Graphits ist, daß sie im Strangpreßherstellungsverfahren nicht mit wirbelerzeugenden Stromstörungselementen versehen werden können. Rohre aus diesen Werkstoffen liegen vielmehr als innenwandig im wesentlichen glatte Rohre vor. Wenn man in solche Rohre die erfindungsgemäßen, Profilierungen des Außenumfanges aufweisende Stränge einsetzt, wird der Vorteil des widerstandsfähigen Materials mit der Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung kombiniert.
Die Profilierungen, mit denen die in die Rohre eingesetzten Stränge versehen sind, können mannigfaltige Formen haben. Sie müssen nur bewirken, daß laminare Strömungen in turbulente und leicht turbulente Strömungen in stärker turbulente Strömungen umgewandelt werden. Beispielhaft seien folgende Oberflächenausgestaltungen der Stränge angeführt: Verschiedene gewindeartige Formen, Rippen, Noppen, Stacheln und als bevorzugte Form, Wellen.
Die Stränge können innen hohl sein oder aus Vollmaterial bestehen. Wenn hohle Stränge verwendet werden, sind sie bevorzugt an mindestens einer Seite verschlossen, um die Ausbildung einer zweiten Strömungslinie im Rohr zu verhindern und eine Ansammlung oder ein Zurückbleiben von Fluid aus dem Wärmetauscher im Strang zu vermeiden. Wo dies sinnvoll ist, können auch beide Enden des Hohlstrangs verschlossen sein. Falls dies jedoch Vorteile bringt, ist es auch möglich, die Enden offen zu lassen. Vorzugsweise werden als hohle Stränge im Handel erhältliche, vergleichsweise preiswerte Wellrohre verwendet. Die hohlen Stränge können entweder teilweise oder ganz mit einem geeigneten Material gefüllt sein. Beispielsweise kann der im Wärmetauscher nach unten zeigende Teil des Stranges eine lediglich beschwerende Füllung enthalten, um den hängenden Strang zu straffen und an zu starken Hin- und Herbewegungen zu hindern oder der Innenraum des Stranges ist vollständig mit einem spezifisch leichten Material ausgeschäumt, um dem Strang eine gute Längsstabilität bei insgesamt geringem Gewicht zu geben.
Eine besonders bevorzugte Lösung der Aufgabe besteht darin, u-förmige Stränge, beispielsweise in eine U-Form gebogene Wellrohre zu verwenden. Die Schenkel eines solchen u-förmigen Stranges werden in zwei benachbarte Rohre des Wärmetauschers eingesetzt und der die Schenkel verbindende Teil bleibt naturgemäß außerhalb der Austauscherrohre. Hier kann auch das Verschließen der Enden unterbleiben, wenn die u-förmigen Stränge so angeordnet sind, daß ihre Öffnungen in Richtung der Schwerkraft zeigen, daß also gegebenenfalls in die Innenräume der Stränge gelangtes Prozeßmedium wieder herausfließen kann. Auf diese Weise kann ein Wärmeaustauscher mit einfachsten Mitteln ohne größeren Aufwand mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüstet werden.
Das Befestigen der Stränge in den Wärmeaustauscherrohren geschieht mit einfachen, an sich bekannten Mitteln wie an den Rohrenden angebrachten Aufhängungen oder Stegen oder durch die Strangenden geführte Stifte, die sich auf den Rohrenden abstützen.
Um das Einströmen der jeweiligen, in den Wärmetauschern Wärme tauschenden Fluide in die mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüsteten Wärmetauscherrohre zu erleichtern, können nach einer anderen vorteilhaften Variante die Wärmetauscherrohre bzw. die mit den Rohrenden dieser Rohre fluchtenden Strömungskanäle in den oberen und unteren Rohrböden der Rohrbündel, in die diese Rohre eingebaut sind, am Einströmende konische oder keilförmige Erweiterungen haben. Diese Maßnahme wird besonders bei der Anwendung von u-förmigen Strängen an der Seite der u-förmigen Verbindung der Schenkel empfohlen. Sie ist aber nicht Bedingung. Wo dies vorteilhaft erscheint, können derartige Erweiterungen auch auf der Ausströmseite der Rohrbündel angebracht sein.
Der Werkstoff, aus dem die erfindungsgemäßen Stränge bestehen, richtet sich nach den Einsatzbedingungen, speziell nach dem Medium, dem die Stränge ausgesetzt sind und nach der vorgesehenen Betriebstemperatur. Der Fachmann wählt aufgrund seiner Kenntnisse das jeweils geeignete Material aus. Beispielhaft seien, ohne daß damit eine Beschränkung vorgenommen wird, einige der in Frage kommenden Materialien genannt: Metall, Kunststoff, Gummi, Holz, Keramik, Kohlenstoff. Von den Kunststoffen werden für Medien, die weniger aggressiv sind, bevorzugt Polypropylen (PP) oder Polyvinylchlorid (PVC) verwendet. In aggressiveren Medien und bei höheren Anwendungstemperaturen werden bevorzugt Stränge aus fluorhaltigen Polymeren wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Tetrafluorethylen-Perfluorpropylen-Copolymer (FEP) oder Copolymere von Tetrafluorethylen mit Perfluoralkylvinylether (PFA) eingesetzt. Die Palette der Kohlenstoffmaterialien ist nicht auf nicht graphitischen und auf graphitierten Kohlenstoff beschränkt. Es können auch Teile aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff oder aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kunststoff Verwendung finden.
Der Außendurchmesser des Stranges beträgt vorzugsweise ein Drittel bis acht Zehntel des Innendurchmessers des ihn umgebenden Wärmeaustauscherrohres. Diese Maßverhältnisse haben sich bei Wärmeaustauschern für aggressive chemische Medien, bei denen die Austauscherrohre aus Graphit und die Stränge aus Kunststoff bestanden, bewährt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Maßverhältnisse beschränkt. Im Bedarfsfall kann davon abgewichen werden.
Für Fälle, bei denen der Strang innerhalb des Rohres lagestabil angeordnet sein muß, empfiehlt es sich, den Strang stellenweise an der glatten Rohrinnenwand abzustützen. Ganz allgemein kann dies dadurch erreicht werden, daß der Strang mit bekannten Mitteln wie beispielsweise Stegen, an der Innenwand des Austauscherrohres abgestützt wird. Bei der Wahl und der Anordnung der Abstützelemente sollte lediglich dafür Sorge getragen werden, daß die Strömung im Ringspalt nicht wesentlich beeinträchtlgt wird. Nach einer bevorzugten Vorgehensweise wird eine Abstützung erreicht, wenn der Strang das Rohr in einer Spiralform durchsetzt. Diese Spiralform entsteht bei biegsamem Material dadurch, daß man den, beispielsweise als Wellrohr ausgebildeten Strang beim Einsetzen in das Rohr um seine Achse verdreht oder ihn nach dem Einsetzen am entgegengesetzten Ende des Rohres, bzw. Rohrbodens arretiert, dann verdreht, dabei etwas staucht und ihn danach am anderen Ende des Rohres, bzw. Rohrbodens ebenfalls festlegt. Auf diese Weise kommt es zu Abstützungen des Stranges an der Innenfläche des Rohres.
Im folgenden wird die Wirksamkeit der Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel demonstriert:
Alle Wärmeaustauscherrohre eines mit fluiddichten Graphitrohren, 32 mm Außendurchmesser und 22 mm Innendurchmesser bestückten, industriell anwendbaren Partialdruckkondensators wurden mit käuflichen, in U-Form gemäß Fig. 2 gebogenen Wellrohren aus Polytetrafluorethylen, deren größter, an der Wellung gemessener Durchmesser 16 mm und deren kleinster, an der Außenwand des Rohres, also am Boden der Wellung gemessener Durchmesser 14 mm betrug, bestückt. Es wurde die Wärmeübertragungsleistung des Partialdruckkondensators unter Beaufschlagung mit dem gleichen Produkt und mit dem gleichen Kühlmittel (Wasser) einmal ohne eingebaute, Turbulenzen erzeugende Stränge und einmal mit derartigen Strängen gemessen:
Betriebsbedingungen/Meßergebnisse:

Versuch ohne Stränge in den Rohren,
Massestrom Produkt: 6066 kg/h
Temperatur des Produkts am Apparateeingang: 123,75 °C
Temperatur des Produkts am Apparateausgang: 37,4 °C
Massestrom Kühlwasser: 147 m³/h
Temperatur des Kühlwassers am Apparateeingang: 21 °C
Temperatur des Kühlwassers am Apparateausgang: 26 °C
Versuch mit Strängen in den Rohren:
Massestrom Produkt: 11058 kg/h
Temperatur des Produkts am Apparateeingang: 123,60 °C
Temperatur des Produkts am Apparateausgang: 39 °C
Massestrom Kühlwasser: 51 m³/h
Temperatur des Kühlwassers am Apparateeingang: 20 °C
Temperatur des Kühlwassers am Apparateausgang: 39 °C

Ein Vergleich der bei den beiden Versuchen pro Zeiteinheit übertragenen Wärmemengen zeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung 1,32 mal mehr Wärme übertragen worden ist wie bei dem Apparat ohne Stränge in den Wärmeaustauscherrohren. Die Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung wird dabei mit einer auf ca. 1/3 reduzierten Kühlwassermenge bei einer Steigerung des Produktdurchsatzes um fast das Doppelte erreicht.
Durch die folgenden Figuren wird die Erfindung mittels schematischer Darstellungen beispielhaft weiter erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1:: Einen Teillängsschnitt durch einen Rohrbündelwärmeaustauscher der eine erfindungsgemäße Rohranordnung wiedergibt.
Fig. 2:: Einen Teillängsschnitt durch einen Rohrbündelwärmeaustauscher, mit einem in benachbarte Wärmeaustauscherrohre eingesetzten u-förmigen Strang.
Fig. 3:: Eine Draufsicht auf die Stirnseite einer Kopfplatte des Rohrbündels eines Wärmetauschers, dessen Austauscherrohre mit u-förmig gestalteten Strängen ausgerüstet sind.
Fig. 4:: Einen Teillängsschnitt durch das Rohrbündel eines Wärmetauschers am Ort eines Austauscherrohres mit einem gefüllten Hohlstrang.
Fig. 5:: Die Ausführung eines erfindungsgemäßen Stranges als Wellrohr.
Fig. 6, 6a, 6b, 6c:: Ein Wärmeaustauscherrohr, in dem ein Strang entlang einer wendelförmigen Linie an der Rohrwand anliegt und festgelegt ist.

In dem Teillängsschnitt gemäß Fig. 1 ist ein Rohr 1 des Rohrbündels eines Rohrbündelwärmeaustauschers dargestellt, dessen produktberührten Teile mit Ausnahme des in die Rohre 1 eingesetzten Strangs aus Tantal bestehen.
Das an seiner Oberfläche herstellungsbedingt glatte Tantalrohr 1 ist in den nur andeutungsweise wiedergegebenen oberen Rohrboden 2 und unteren Rohrboden 3 des Rohrbündels eingeschweißt. Der Strangkörper 4 ist ein in Form eines an seinem oberen Ende 5 durch Abquetschen und/oder Verschweißen verschlossenes, an seiner äußeren Oberfläche mit einem gewindeartigen Profil 6 versehenes Rohr aus FEP. An seinem unteren Ende 9 ist der Strangkörper 4 offen. Der die Turbulenzen hervorrufende und den fluidzugänglichen Innenquerschnitt 7 des Wärmeaustauscherrohres 1 verringernde Strangkörper 4 ist sowohl am oberen Rohrboden 2 als auch am unteren Rohrboden 3 des Rohrbündels mittels je eines durch den Strang 4 geführten Stiftes 8, 8', der sich auf dem oberen 2 und dem unteren Rohrboden 3 abstützt, gehalten. Es ist möglich, den Strang 4 mittels dieser Arretierungen 8, 8' unter einer bestimmten Längsspannung zu halten, um ihn im Betrieb an die Strömung störenden Hin- und Herbewegungen zu hindern. Durch Fig. 1a, die eine um 90° gedrehte Ansicht des oberen Teils der Fig. 1 wiedergibt, wird verdeutlicht, daß die Arretierung des Stranges 4 durch einen Stift 8 bewirkt wird. Das den Wärmeaustauscher durchsetzende Fluid strömt, wie die Pfeile in den Fig. 1 und 1a andeuten, von unten nach oben durch den Wärmeaustauscher. Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der größte Außendurchmesser a des Stranges 4 1/3 bis 8/10 des Innendurchmessers b des Wärmeaustauscherrohres 1.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante der Erfindung wiedergegeben, bei der sich die Schenkel 10, 10' eines u-förmig gebogenen Wellrohres 11 in jeweils benachbarten Rohren 1, 1' eines Wärmeaustauschers befinden. Die Erhebungen 12 und Vertiefungen 12' auf der Oberfläche des Stranges 4, die die Turbulenzen in der in den Rohren 1, 1' vorhandenen Strömung hervorrufen, verlaufen in Wendelform.
Die produktberührten Teile des Wärmeaustauschers, von dem hier lediglich der obere Rohrboden 2 und zwei Rohre 1, 1' des Rohrbündels ausschnittweise wiedergegeben sind, bestehen mit Ausnahme der Strangkörper 4 aus mit einem Kunstharz imprägnierten Graphit. Die Graphitrohre 1, 1' sind in den oberen Rohrboden 2 und in den nicht dargestellten unteren Rohrboden des Rohrbündels eingeklebt 16. Die die Strangkörper 4 bildenden Gewinderohre bestehen aus Polypropylen. In dem hier nur zum Teil abgebildeten Wärmetauscher verläuft, wie die Pfeile andeuten, der Produktstrom von oben nach unten durch die Rohre 1, 1'. An der Eintrittsseite 15, 15' des Produktstroms in die Rohre 1, 1' befindet sich ein sich entgegen der Strömungsrichtung beispielsweise konisch erweiternder Querschnitt 14, 14' um das Einströmen des Produktfluids in die Rohre 1, 1' zu erleichtern. Die Figur zeigt, daß die Stränge 4 bei dieser Anordnung in den Wärmeaustauscherrohren 1, 1' an ihrer oberen, der Einströmseite 15, 15' in die Austauscherrohre 1, 1', stets verschlossen sind. Es kann kein Produkt in sie eintreten. An ihrem, hier nicht sichtbaren, unteren Ende können die Stränge 4 entweder offen oder geschlossen sein. Sie können auch z.B. am unteren Rohrboden festgelegt sein oder nicht. Daß die u-förmige Ausführungsform auch erhebliche Vorteile bei der Montage bietet, ist unschwer einzusehen.
In der in Fig. 3 wiedergegebenen Draufsicht auf den oberen Rohrboden 2 eines Rohrbündels eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, in dem die Rohre 1 mit u-förmigen Strängen 4 bestückt sind, sind die Einströmöffnungen 15, 15' der Wärmeaustauscherrohre 1 und die sich jeweils über zwei benachbarte Rohre 1, 1' erstreckenden u-förmigen Enden der Stränge 4 zu sehen. Das Rohr 1'' ist ein zugestöpseltes Blindrohr. Es könnte aber auch mit einem Wellrohr 4 gemäß Fig. 1 versehen sein.
In Fig. 4 sind andeutungsweise der obere 2 und der untere Rohrboden 3 eines Rohrbündels abgebildet, in die (2, 3) ein Austauscherrohr 1 eingeklebt (16) ist. Die produktberührten Teile des Austauschers bestehen mit Ausnahme des Strangkörpers 4 wiederum aus fluiddichtem Graphit. Der rohrförmige, an seinem oberen 5 und seinem unteren 9 Ende verschlossene Strangkörper 4 besteht aus einem gummiartigen Copolymeren aus Vinylidenfluorid mit Hexafluorpropylen, das im Handel unter der Marke ^RViton erhältlich ist. Seine Oberfläche weist eine Vielzahl von Noppen 13 auf, um in der Strömung im Rohr 1 die gewünschten Turbulenzen hervorzurufen. Der Strangkörper 4 ist an seinem oberen Ende 5 mit einem ihn durchsetzenden, eingeschweißten Stift 8 aus PTFE an der Oberseite des oberen Rohrbodens 2 des Rohrbündels aufgehängt. In seinem unteren Teil enthält der Strangkörper 4 eine spezifisch schwere Masse 17, beispielsweise mit einem Kunstharz gebundenes Siliciumdioxid, Schwerspat oder Späne einer korrosionsfesten Legierung, um ihn zu straffen und gegen unerwünschte sowie unkontrollierbare Bewegungen in der Strömung zu sichern. Das Innere des Stranges 4 könnte auch zusätzlich oder unter Fortlassen der beschwerenden Füllung mit einem Kunststoff 19 ausgeschäumt sein, um dem Strang Längssteifigkeit zu verleihen.
Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wärmeaustauscherrohr 1, das einen Hohlstrang 4 in Form eines Wellrohres enthält, auf dessen Oberfläche in wechselnder Folge Erhebungen 12 und Vertiefungen 12', die konzentrisch um die Längsachse des Rohres verlaufen, angeordnet sind.
Fig. 6 zeigt in Verbindung mit den Figuren 6a, 6b und 6c eine Möglichkeit, einen Strang 4 aus einem ausreichend flexiblen Material in dem ihn umgebenden Wärmeaustauscherrohr 1 ortsstabil zu halten. Die Abstützung wird hier dadurch erreicht, daß der Strang 4 nach dem Einführen in das Austauscherrohr 1 und falls nötig, nach dem Festlegen des Stranges 4 am unteren Ende des Rohres 1 unter leichtem Stauchen derart um seine Längsachse verdreht wird, daß er die Form einer Wendel annimmt und entlang einer wendelförmigen Berührungslinie an der Innenwand 18 des Austauscherrohres 1 anliegt und so gegen möglicherweise durch die Strömung verursachte Bewegungen abgestützt wird. Selbstverständlich muß der so verdrehte Strang 4 an seinem (nicht wiedergegebenen) oberen und unteren Ende im Austauscherrohr 1 oder an dem ebenfalls nicht dargestellten oberen und unteren Rohrboden des Rohrbündels gegen ein Zurückdrehen gesichert werden.

Bezugszeichenliste

1, 1', 1'': Rohre des Rohrbündels eines Wärmeaustauschers
2: oberer Rohrboden/Kopfplatte des Rohrbündels
3: unterer Rohrboden des Rohrbündels
4: Strangkörper/Strang
5: oberes Ende des Strangkörpers (4)
6: gewindeartiges Profil des Strangkörpers (4)
7: Innenquerschnitt des Rohres (1)
8, 8': Stifte zum Halten des Stranges (4)
9: unteres Ende des Strangkörpers (4)
10, 10': Schenkel des u-förmig gebogenen Wellrohres
11: u-förmig gebogenes Wellrohr
13: Noppen auf Strangkörper (4)
14, 14': sich erweiternder Querschnitt
15, 15': Einströmseite der Wärmetauscherrohre
16: Einklebung der Graphitrohre in einen Rohrboden des Rohrbündels
17: spezifisch schwere Füllung im Strangkörper (4)
18: Innenwand des Rohres (1)
19: Füllung in (4) aus geschäumtem Kunststoff

Claims

Rohr für Rohrbündel von Wärmeaustauschern mit im Inneren des Rohres befindlichen, in der Strömung im Rohr Turbulenzen erzeugenden Elementen
dadurch gekennzeichnet, daß
die Innenwand des Rohres (1) von die Fluidströmung im Rohr (1) beeinflussenden Erhebungen und Vertiefungen frei ist
und sich im Innenraum des Rohres (1) ein rohr- oder stabförmiger Strang (4) befindet, dessen äußere Oberfläche die Form a) eines im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung im Rohr (1) liegenden Gewindes (6) oder b) von in gleicher Weise angeordneten Wellen (12, 12') hat oder c) mit Noppen (13) oder Stacheln besetzt ist,
daß der Strang (4), mit Ausnahme einer höchstens linienförmigen Berührung mit der inneren Oberfläche (18) des Wärmeaustauscherrohres (1), im Abstand von dieser inneren Oberfläche (18) positioniert ist,
so daß zwischen dem Strang (4) und der inneren Oberfläche (18) des Wärmeaustauscherrohres (1) ein Raum für das Durchströmen des Wärmeaustauscherrohres (1) mit einem Fluid vorhanden ist.
Paarweise angeordnete Rohre (1, 1') für Rohrbündel von Wärmeaustauschern mit im Inneren der Rohre (1, 1') befindlichen, in der Strömung in den Rohren Turbulenzen erzeugenden Elementen,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Innenwand der Rohre (1, 1') von die Fluidströmung in den Rohren (1, 1') beeinflussenden Erhebungen und Vertiefungen frei ist,
daß sich im Innenraum der Rohre (1, 1') ein rohr- oder stabförmiger Strang (4) befindet, dessen äußere Oberfläche die Form a) eines im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung in den Rohren (1, 1') liegenden Gewindes (6) oder b) von in gleicher Weise angeordneten Wellen (12, 12') hat oder c) mit Noppen (13) oder Stacheln besetzt ist,
daß der Strang (4) mit Ausnahme einer höchstens linienförmigen Berührung mit den inneren Oberflächen (18) der Wärmeaustauscherrohre (1, 1') im Abstand von diesen inneren Oberflächen (18) positioniert ist,
so daß zwischen dem Strang (4) und der inneren Oberfläche (18) der Wärmeaustauscherrohre (1, 1') ein Raum für das Durchströmen der Wärmeaustauscherrohre (1, 1') mit einem Fluid vorhanden ist,
daß der Strang (4) U-Form hat,
daß sich die Schenkel (10, 10') des U des Stranges (4) in jeweils zwei benachbarten Rohren (1, 1') eines Wärmeaustauschers befinden und der die Schenkel (10, 10') verbindende Bogen des U außerhalb der Rohre (1, 1') angeordnet ist.
Rohr (1) nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) als an mindestens einer Seite geschlossenes Wellrohr ausgebildet ist.
Rohr (1) nach Patentanspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) aus einem Material aus der Gruppe Thermoplast, Duroplast, Elastomer, Kohlenstoff, kohlenstoffaserverstärkter Kunststoff, Keramik, Metall, Holz, besteht.
Rohre (1, 1') nach Patentanspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der U-förmige Strang (4) als Wellrohr ausgebildet ist.
Rohre (1, 1') nach Patentanspruch 2 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) aus einem Material aus der Gruppe Thermoplast, Duroplast, Elastomer, Metall besteht.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) aus einem Material aus der Gruppe Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid, Polypropylen, Polyvinylchlorid besteht.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Rohr (1) oder die Rohre (1, 1') an mindestens einem seiner/ihrer Enden oder an den mit dem Rohr (1) oder den Rohren (1, 1') fluchtenden Bohrungen in dem oberen (2) oder/und dem unteren Rohrboden (3) des Rohrbündels einen sich nach außen erweiternden, den Strömungsquerschnitt vergrößernden Querschnitt (14, 14') hat/haben.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der größte Außendurchmesser (a) des Stranges (4) 1/3 bis 8/10 des Innendurchmessers (b) des Wärmeaustauscherrohres (1) oder der Wärmeaustauscherrohre (1, 1') beträgt.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) an der Rohrinnenwand (18) abgestützt ist.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Strang (4) das Rohr (1) oder die Rohre (1, 1') in einer Spiralform durchsetzt.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei Verwendung eines hohlen Stranges (4) der Hohlraum des Stranges (4) mindestens zum Teil gefüllt ist.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach Patentanspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Hohlraum des Stranges (4) mit mindestens einer verfestigten Masse gefüllt ist.
Rohr (1) oder Rohre (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Rohr (1) oder die Rohre (1, 1') aus fluiddichtem Graphit besteht/bestehen.
Verwendung von Rohren (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 14 für die Reduzierung der Baugröße von Wärmeaustauschern nach Höhe/Länge oder/und Durchmesser durch Einbeziehung der größeren Wärmeaustauschleistung erfindungsgemäßer Rohre (1) bei der konstruktiven Auslegung und dem Bau von Wärmeaustauschern.
Verwendung von Rohren (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 14,
zur Steigerung der Wärmeübertragungsleistung von Wärmeaustauschern im Vergleich zu Wärmeaustauschern gleicher Konstruktion, deren wärmeaustauschende Rohre jedoch keine erfindungsgemäßen Stränge (4) enthalten.
Verwendung von Rohren (1, 1') nach einem der Patentansprüche 1 bis 14
an Stelle von Wärmeaustauscherrohren, die keins der Merkmale der hier beschriebenen Erfindung aufweisen und die einen kleineren Innendurchmesser als erfindungsgemäße Wärmeaustauscherrohre (1, 1') haben.