DE2428042B2

DE2428042B2 - Roehrenwaermeaustauscher

Info

Publication number: DE2428042B2
Application number: DE19742428042
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-06-14
Filing date: 1974-06-11
Publication date: 1977-10-20
Also published as: DE2428042C3; FR2233585B1; DK317474A; FR2233585A1; DE2428042A1; SE414831B; US4141411A; GB1471944A; SE7407892L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Röhrenwärmeaustauschei mit mindestens einem quer angeströmten Rohr, auf das gleichmäßig über die Länge verteilt Querrippen aufgesetzt sind, die beiderseits ties Rohres durch streckungslos·.· Verformung im Bereich von Schlitzen gebildete, unmittelbar aufeinanderfolgende, abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen weisende und Strömungsdurchgänge bildende Ausprägungen aufweisen. Ein solcher Röhrenwärmeaustauscher ist aus der DT-PS 9 76 523 bekannt.

Bei einer solchen Ausbildung ist vorteilhaft, daß in Sirömungsrichtung die Blechfelder der Ausprägungen in Abständen aufeinanderfolgen, was dazu führt, daß sich eine dicke Grenzschicht nicht entwickeln kann. Bei jeder Vorderkante eines Blechfeldes beginnt eine neue Anlaufstrecke, und die Grenzschichtdicke erreicht nur die Werte, die der kurzen Länge der Felder Ausprägungen in Strömungsrichtung entsprechen.

Bei dieser bekannten Ausbildung erstrecken sich die Querrippen jedoch nur normal zur Rohrachse und weisen keine wesentlichen, parallel zum Rohr verlaufenden Abschnitte auf. Außerdem sind sie in größerem Abstand voneinander auf das Rohr aufgesetzt.

Nachteilig ist bei dieser Ausbildung, daß die angeströmte Stirnfläche nicht dicht mit am Wärmeaustausch teilnehmenden Kühlflächen besetzt ist und deshalb nicht gut ausgenutzt wird. Ein dichteres Aufeinanderschieben der Querrippen wäre mangels geeigneter abstandshaltender Anschlagflächen auch nur mit Schwierigkeiten möglich.

Aus der DT-F¹S 5 90 313 ist noch ein Röhrenwärmeaustauscher bekannt, bei dem gewellte Querrippen auf die Rohre aufgesetzt sind, die jedoch keine Schlitze aufweisen, so daß die Oberfläche der Wellen in Strömungsrichtung ununterbrochen durchgeht. Dadurch bilden sich dicke Grenzschichten mit schiechterem Wärmeübergang aus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Rohrenwärnieaustauschers. bei dem ohne zusätzliche'Wände eine gute Ausfüllung der angeströmten Stirnfläche erzielbar ist, wobei sich in Richtung der Anströmung gesehen ein dichtes und im Sinne des Wärmeaustausches sehr wirksames Gitterwerk ergeben soll Es sollen zur Herstellung dieses Gitter« erkes nur einheitliche Querrippen Verwendung linden, die 'eichi zu montieren sein sollen.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aulgabe erfindungsgeniäit vorgeschlagen, daß die Ausprägungen auf einer Seile der Rippenhaupiebene liegen, die durch die Rippenenden und den Rippenteil um die Rohröifnungen verlauli und daß banachbarte Rippen aneinander anliegen.

Bei einer solchen Ausbildung verhüllen zwischen der Fbere der Ausprägungen und der Rippenhaupiebene noch Rippenabschnitte parallel zur Rohrachse, wobei sich eine dichte Besetzung der angeströmten Stirnlläche mit am Wärmeaustausch beteiligten Flächen ergibt Außerdem brauchen zur Herstellung des Wärmeaustausches die Querrippen nur bis zur gegenseitigen Berührung auf das Rohr geschoben zu werden, was eine bedeutende Vereinfachung darstellt. Dabei erfolgt die Berührung benachbarter Querrippen nur längs Linien, und es kommt nicht zur Berührung von !lachen, deren jede dann nur noch einseitig bespült wäre und an Wärmeaustausch Wirksamkeit verlieren müßte.

An sich ist aus der US-PS 20 46 791 eine Ausbildung einch Rohrenwärnieaustauschers bekannt, bei der Querrippen Ausprägungen aulweisen, die auf einer Seite der Rippenhauptebene liegen, wobei benachbarte Rippen aneinander anliegen. Hier sind jedoch keine Schlitze vorhanden, in deren Bereich die Ausprägungen unter Schaffung von Strömungsdurchgängen gebildet wären. Eine Grenzschichtbeeinflussung tier voraussetzungsgemäßen Art findet also nicht statt.

Schließlich ist aus der US-PS 32 23 153 noch eine Ausbildung bekannt, bei der in Querrippen abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen weisende Ausprägungen vorhanden sind und benachbarte Querrippen aneinander anliegen. Bei dieser Ausbildung dienen die Ausprägungen jedoch nur zur Abslandhaltung. Sie folgen nicht unmittelbar aufeinander, sondern es bleibt zwischen 'linen in Strömungsrichtung eine ziemliche Länge unverformien Blechmalerals, so daß die Ausprägungen selbst nur durch Streckung des Blechmaterials erhalten werden können. Sie sind im Windschatten von quer zur Anströmungsrichtung stehenden Blechstiegen angeordnet, so daß in ihrem Bereich gar keine oder nur eine sehr verlangsamte- Strömung herrscht.

Bei der vorgeschlagenen Ausbildung kann es zweckmäßig sein, wenn die die Strömungsdurchgänge bildenden Ausprägungen in parallel zur Rippenhauptebene verlaufenden Rippenteilen angeformt sind. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, die die Strömungsdurchgänge bildenden Ausprägungen in quer zur Rippenhauptebene verlaufenden Rippentcileii auszuformen.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an f land der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den axialen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Röhrenwärmeaustauschers,

Fig. 2 die Ansicht in Pfeiirichtung A in Fig. 1,

Fig. 3 den axialen Längsschnitt durch einen Abschnitt einer zweiten Atsführungsform des Röhrenwär-

I/

2 4 2 8 O 4

meausiauscherv

ρ j u 4 die Ansicht in I'leilnchnmg Win IΊ g. j, pjg. 5 cine Querrippe /um Aufbau einer drillen Ausführungsform des Wärmeaustauschers in Richtung der Rohrachse gesehen,
pig. bdie Ansicht in Pleilrichumg Din Ei g. % pig. 7 eine Querrippe /um Aulbau einer vierten Atisführungsform des Wärmeaustauschers in Richtung der Rohrachse gesehen,

pig.8die Ansicht in Pfeilriclnung /.-"in I'i g. 7. ,,,

Der Röhrenwärmeaustauscher besieht aus mindestens einem Rohr 1 (F i g. I und 2) mit Querrippen 2, die rechtwinklig zur Achse des Rohres I gleichmäßig über dessen Länge angeordnet sind. Jede Querrippe 2 stellt >inc Platte der Breite ;i und der Höhe b dar, in der ι ^ Ausprägungen 3 ausgebildet sind, deren Wände längs Jos das Rohr 1 mit den Querrippen 2 umspülenden Mediumstromes orientiert sind. Eine Querrippe 2 kann •weh zwei oder mehr Rohröffnungen aufweisen und uleichzeitig auf zwei oder mehr Rohre I aufgesetzt sein. :u η-is Aufsetzen der Querrippen 2 auf die Rohre 1 und die s'iiie Verbindung mit ihnen erfolgen nach bekannten Verfahren.

Bei der in l·" i g. I und 2 dargestellten Ausführungsform bilden die Ausprägungen 3 in Strömungsrichtung ^ gesehen (Fig. I) Rhomben mit Spitzen 5. Sie kommen dadurch zustande, daß Querschlitze β ausgeführt werden und die dabei gebildeten Stege 7 aufeinanderfolgend in jeweils entgegengesetzter Richtung winklig atisgebogen werden. Die Größe der Ausbiegung der ν Stege 7 liegt über 1,5 bis 2 mm. Da sich die Querrippen 2 aneinander anschließen, ist die Maximalgröße der Ausbiegung der Stege 7 durch den Abstand / zwischen benachbarten Rippen vorgegeben. Dieser wird gewählt in Abhängigkeit von der Reinheil des die Rippen \ umspülenden Mediums, den Anforderungen an die Gedrängtheit des Wärmeaustauschers sowie aufgrund technisch-wirtschaftlicher Berechnungen.

Die Ausprägungen 3 einer Querrippe 2 liegen seitlich der Hauptebene dieser Rippe. Die Rippenhauptebene ι ist diejenige Ebene, in der die Rippe auf dem Rohr aufsitzt. In F i g. 1 ist zu sehen, daß jede Rippe vom Rohr 1 ausgehend einen radialen Abschnitt und dann unter Abbiegen um einen rechten Winkel einen Axialabschnitt 4 aufweist. Ar. diesen schließt sich der Bereich an, in dem die Querschlilze 6 und die Ausprägungen 3 ausgeführt sind. Es folgt ein Axialabschnitt zurück zur Rippenhauptebene, ein weiterer in dieser Hauptebene liegender Radialabschnitt und in gleicher Weise nochmals eine seitlich versetzte Ausprägung. Die Rippe endet mit einem in der Hauptebene liegenden Radialabschnitt.

Die Ausprägungen 3 bilden Mediumdurchgänge 8. Anstelle des in Fig. I gezeigten rhombusförmigen Querschnitts dieser Mediumdurchgänge können sie auch eine runde oder ovale Form besitzen, wie es bei der Ausbildung gemäß F i g. 3 und F i g. 4 der Fall ist.

Das Gasmedium, das längs der Wandflächen der Ausprägungen 3 strömt, bespült im Bereich der Ausprägungen immer nur kurze Wandabschnitte entsprechend der Breite der Stege 7. Diese Breite, d. h. der Abstand zwischen den Querschlitzen 6 beträgt 3 bis 4 mm. Bei jedem neuerlichen Auflaufen der Strömung auf einen ausgebogeneii Steg beginnt sich eine neue Grenzschicht auszubilden. Da die Dicke der Grenzschicht mit der Länge der bespülten Strecke zunimmt, erreicht sie vorliegend jeweils nur geringe Werte. Beim Ablaufen der Strömung von einem Steg 7 gehen die zusammenfließenden beidseitigen Grenzschichten in eine kleine Wirbelzone über.

Da die Grenzschicht den hauptsächlichen Wärme übergangswiderstand darstellt, ist beim vorliegenden Wärmeaustauscher wegen der überall nur sehr dünnen Grenzschichten die Wirksamkeit des Wärmeübergangs sehr gut. Die an den Hinterkanten der Stege 7 antretenden Wirbelzonen verbessern ebenfalls die Wirksamkeit der Wärmeabgabe. Als Ergebnis ist die Wärmeübergangszahl zwischen Gasmedium und den Ausprägungsabschnitien der Rippen 2 etwa doppelt so groß wie bei glatten Vollrippen.

Durch die dichte Ausfüllung der angeströmten Stirnfläche auch noch mit den Axialabschnilten 4 vermindert sich der hydraulische Durchmesser der gebildeten Slrömungskanäle, was ebenfalls eine Erhöhung der Wirksamkeit der Wärmeabgabe bwirkt.

Wenn bei den in F i g. 2 und F ι g. 4 gezeigten Rippen 2 die Höhe C der Ausprägungen 3 den Abstand / der Rippen gleich isl, so wird die Oberfläche der Rippen aul Grund der Axialabschnitte 4 etwa das Dreifache betragen. Wenn die Summe der Höhen C der Ausprägungen etwa die halbe Gesamthöhe öder Rippe erreicht, d. h. bei 4c= ^ , so wird die Gedrängtheit der

wärmeübertragenden Oberfläche eiwa um das Zweilache größer. Dabei wird unter dem Begriff »Gedrängtheit« die Wärmeausiauschoberfläche der Querrippen 2 pro Volumeneinheil verstanden. Bei halbkreisförmiger Alisbiegung der Stege 7 nimmt die Oberfläche der Spitzen 5 der Ausprägungen 3 auf Ci rund der Krümmung um den Faktor

zu. Dies entspricht einer Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche der Querrippen noch um das 1,1 fache. Im Vergleich zu glatten Rippen beträgt die gesamte Vergrößerung der Gedrängtheit der wärmeüberiragenden Oberfläche bei der behandelten Variante mit gleicher Rippenteilung etwa das 2,2fache.

Etwa um so viele Male nimmt der wärmeübertragende Umfang des Gasmedium-Durchgangsquerschnitts zu. Der hydraulische Durchmesser des Querschnitts wird dementsprechend kleiner. Dabei wird die Wärmeübergangszahl etwa um 20% höher.

Während F i g. 1 bis 4 Ausbildungen zeigten, in denen di'.¹ die Ausprägungen aufweisenden Rippenabschnitte parallel zur Rippenhauptebene verlaufen, zeigen F i g. bis 8 Ausbildungen, in denen die Ausprägungen quer zur Rippenhauptebene bzw. parallel zur Rohrachse orientiert sind.

F i g. 5/6 zeigen eine Querrippe 2 mit rund ausgebogenen Ausprägungen 21, die auf einer Seite der Hauptebene der Rippe 2 liegen. Sie liegen in ö flöhenabständen Cübereinander, wobei sich Radialabschnittc 19 zwischen ihnen erstrecken. Die Stege 18 sind zwischen Schlitzen 20 gebildet und unter Bildung der Ausprägungen 21 abwechselnd nach verschiedenen Seiten hin ausgebogen. In diesem Fall sind die >o Mediunidurchgänge 22 zwischen den Ausprägungen etwa ovalförmig; sie können aber auch eine andere Form aufweisen, z. B. dreieck- oder trapezförmig ausgebildet sein, was sich im wesentlichen nach den technologischen Möglichkeiten richtet. Im vorliegenden is Fall sind die Ausprägungen 2i der Stege !8 um weniger als dl ausgebogen, so daß sich ihre Gipfel nicht berühren. Sie können aber um eine Größe von bis zu c/2 ausgebogen sein, wobei sich dann die Gipfel benachbar-

ter Ausprägungen berühren. Dabei nimmt die Gedrängtheit der Wärmeaustauschfläche zu. Unter dem Gesichtspunkt der Gedrängtheit. Wirksamkeit der Wärmeabgabe und hydraulischen Widerstände ist in diesem Fall die Halboval- b/w. t lalbkreisform optimal.

Wenn der Höhenabstand C'der Ausprägungen gleich dem Abstand ι der Rippen ist. so nimmt die Gedrängtheit der Wärmeaustauschfläche der Rippen 2 im Vergleich zu glatten Rippen mit gleichem Abstand / etwa um den Faktor 2.5 und die Wärmeübergangszahl um etwa 70% v.u. Dies entspricht einer Verminderung der Außenabmessungen des Wärmeaustauschers unter Beibehaltung des Verrippungsgrades etwa um das 2,5fache und des Gewichts um etwa .35%.

Die Ausführung gemäß der betrachteten F i g. 5/b ist bei einem relativ großen Abstand (4 bis b mm) der Rippen 2 zweckmäßig, wo die Oberfläche der Stege 18 einen beträchtlichen Anteil an der gesamten Oberfläche der Rippen 2 beträgt.

Fig. 7/8 zeigen eine Rippe 2 mit rechteckigen Ausprägungen 3 der Höhe C, die auf einer Seite der Hauptebene der Rippe 2 liegen. Die zwischen den Schlitzen 25 liegenden Stege haben dabei axiale Abschnitte 27 und radiale Abschnitte 26.

Bei dieser Ausführungsvarianlc sind die Gipfel 24 der Ausprägungen geradlinig, weshalb die C jedrängtheil der Oberfläche der Rippen 2 etwas geringer ist als bei der \orhcrgehcndcn Variante. Diese Rippe 2 ist aber einfacher herstellbar. Hs ist zweckmäßig, sie bei geringen Verrippungsgraden und verhältnismäßig kleinen Abmessungen der Rippen 2 sowie Rippenabsiänden von r= 3 bis b mm anzuwenden. Die radiale Höhe ("der Ausprägungen 3 muß etwa gleich dem halben Rippenabstand /. d.h. mit 1.5 bis 3mm angenommen werden. Zweckmäßigerweise wird der Abstand c /wischen den äußeren Axialabschnitten 27 und den ebenfalls axial orientierten F.ndabschnitten 28 der Rippen auch gleich 1.5 bis 3 mm gewählt. Relativ kleine Werte der Größen Cund c geben die Möglichkeit, eine größere Anzahl von Ausprägungen 3 an der Rippe 2 anzuordnen und somit die Gedrängtheit noch mehr zu erhöhen, worauf es bei verhältnismäßig kleinen Abmessungen der Rippen 2 besonders ankommt.

Im Vergleich zu einem Wärmeaustauscher mit glatten Rippen liefert die in F i g. 7 und 8 gezeigte Rippe 2 unter Beibehaltung gleicher Rippenabstände und gleichem Verrippungsgrad eine Verminderung der Hauptabmessungen des Wärmeaustauschers etwa um das Zweifacht und des Gewichtes um etwa 30%.

llier/u 2 Blatt /eichiumccn

Claims

Patentansprüche:

1. Röhrenwärmeausiauscher mit mindestens einem quer angeströmten Rohr, aiii das gleichmäßig über die Lunge verteilt Querrippen aufgesetzt sind. die beiderseits des Rohres durch streckungslose Verformung im Bereich von Schlitzen gebildete, unmittelbar aufeinanderfolgende, abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen weisende und Strömungsdurehgänge bildende Ausprägungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausprägungen auf einer Seite der Rippenhauptebene liegen, die durch die Rippenenden und den Rippemeil um die Rohröffnungen verläuft, und daß benachbarte Rippen aneinander anliegen.

2. Röhrenwärmeaustausche!" nach Ansprich 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strömuiigsdurchgänge bildenden Ausprägungen in parallel zur Rippenhauptebene verlaufenden Rippentcileii ;mgeformt sind.

J. Röhrenwärmeaustauscher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die die Strömungsdurchgänge bildenden Ausprägungen in quer zur Rippenhaupiebene verlaufenden Rippenteilen ausgeformt sind.