CH626986A5 - Heat exchange tube for a heat exchanger, and method for producing it - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungsrohr für einen Wärmeaustauscher sowie ein Verfahren zur Herstellung des Wärmeübertragungsrohrs. 65

Die Übertragung von Wärme in Wärmeaustauschern durch die Verwendung von Wärmeübertragungs- oder -austauschroh-ren hat eine weitverbreitete Anwendung in allen Industriezweigen gefunden, insbesondere in der Verfahrens- und Stromerzeugungstechnik. Da die Energie- und Kapitalkosten zugenommen haben, ist das Erfordernis, die Leistungsfähigkeit bzw. den Wirkungsgrad von Wärmeübertragungsoberflächen sowie die Einrichtungen, mit denen Wärmeübertragungsrohre hergestellt werden, zu verbessern, von grosser Wichtigkeit geworden. Da die Kosten von Wärmeaustauschern, in denen Wärmeübertragungsrohre verwendet werden, von der Anzahl der Rohre und den Kosten der Rohranordnung abhängen, ist es in hohem Masse wünschenswert, dass sowohl die Menge an erforderlichen Rohren herabgesetzt wird als auch wirtschaftlichere Einrichtungen zur Herstellung der Rohre zur Verfügung gestellt werden. Da weiterhin die Temperatur der Rohrwand durch die Oberflächenwärmeübertragungskoeffizienten auf bzw. an den innen-und aussenseitigen Oberflächen der Rohrwand bei gegebenen Strömungsbedingungen bestimmt ist, führt eine vorzugsweise Beeinflussung eines oder beider dieser Koeffizienten in einem gewissen Mass zur Steuerung der Rohrwandtemperatur. Diese Steuerung kann dazu angewandt werden, entweder die Temperatur einer der Prozessströmungen zu erhöhen oder herabzusetzen, d.h. entweder die Temperatur der inneren Strömung durch die Rohre oder der äusseren Strömung über die äusseren Oberflächen der Rohre, und zwar für eine gegebene Rohrwandtemperatur; oder aber diese Steuerung kann dazu angewandt werden, die Rohrwandtemperatur für spezielle Prozessstromtemperaturen herabzusetzen.

Mit der Erfindung soll ein verbessertes Wärmeübertragungsrohr geschaffen werden, das zu einer verbesserten Wärmeübertragung führt, wenn es in einem Wärmeaustauscher angewandt wird.

Dies wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass die Rohrwand eine Mehrzahl von inneren und äusseren schraubenlinienförmigen Rippen für die Strömung eines Wärmetauscher-Strömungsmittels entlang derselben aufweist, wobei die schraubenlinienförmigen Rippen in Längsrichtung des Wärmeübertragungsrohres verlaufen, von gleichförmiger Konfiguration sind und innere und äussere schraubenlinienförmige Vertiefungen und Erhöhungen begrenzen.

Die Herstellung eines derartigen Wärmeübertragungsrohres erfolgt erfindungsgemäss in folgenden Verfahrensschritten:

a) Formen der gegenüberliegenden Oberflächen eines Materialstreifens zur Ausbildung welliger Oberflächen über die Breite des Streifens, wobei die welligen Oberflächen Rippen definieren, die sich in Längsrichtung des Streifens erstrecken und Erhebungen sowie Vertiefungen bilden,

b) Biegen des gerippten Streifens zu einer Rohrkonfiguration durch schraubenlinienförmiges Wickeln des Streifens koaxial zu einer Achse, derart, dass die Seitenkanten (22,24) des Streifens aneinander anliegen und c) strömungsmitteldichtes Verbinden der aneinander anliegenden Seitenkanten des schraubenlinienförmig gewickelten Streifens.

In Ubereinstimmung mit dem Wärmeübertragungsrohr der vorliegenden Erfindung kann der Strömungsmittelfluss sowohl auf der Innen- als auch auf der Aussenseite des Wärmeübertragungsrohres zum Wirbeln gebracht werden. Im einzelnen ergibt sich eine Wirbelströmung auf der Innenseite des Rohres durch die Wechselwirkung der Strömung zwischen den Rippen und der mittigen Kernströmung. Die Strömung zwischen den Rippen wird durch die Rippenoberflächen zwangsläufig so geführt, dass sie einem schraubenlinienförmigen Weg folgt, wodurch eine Sekundärströmung längs der Oberflächen der Rippen erzeugt wird, die senkrecht zum schraubenlinienförmigen Durch-fluss innerhalb der Rippe ist. Diese Sekundärströmung wird durch die Wärmeübertragung von der Wand höherer Temperatur zu der Rippenoberfläche verstärkt, da das Strömungsmittel, welches vom Kern in die Rippe eintritt, eine niedrigere Tempe-

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ratur und eine höhere Dichte als die Strömung hat, welche die Rippe verlässt. Da diese schraubenlinienförmige Rippenströmung als Folge dieser Sekundärströmung eine Rotationskomponente hat, kann die Hauptkernströmung so angesehen werden, als sei sie von einer Reihe von kreisenden bzw. wirbelnden 5 Strömen innerhalb der Rippen begrenzt, die ausserdem eine Rotation im Hauptströmungskem bzw. in der Hauptkernströmung erzeugen. Es ergibt sich ein Energie- und Momentenaustausch über die Oberfläche an der Grenze der beiden Strömungen, eine Erwärmung der Kernströmung und eine Rotationsbil- io dung im Strömungsmittel. Da es keine Grenze innerhalb des Strömungsmittels gibt, durch welche diese Rotation behindert wird, entsteht eine Strömungsverteilung, die gleichartig bzw. ähnlich wie eine freie Turbulenz ist, die nur durch die Turbulenzeigenschaften des Strömungsmittels gehemmt bzw. behin- is dert wird. Auf der Aussenseite des Rohres ist der Mechanismus gleichartig bzw. ähnlich wie derjenige auf der Innenseite, da die Wärmeströmung bewirkt, dass die Dichte des Strömungsmittels auf der Aussenseite des Rohres abnimmt. Das Wärmeübertragungsrohr weist deshalb ausgezeichnete Wärmeübertragungsei- 20 genschaften auf im Vergleich mit glatten, zylindrischen Rohren, und zwar auch deswegen, weil durch die Vorsprünge eine grössere Wärmeübertragungsoberfläche erzeugt wird, so dass die Wärmeübertragungsoberfläche vergrössert wird, sowie wegen der erläuterten Sekundärströmung, die durch den schraubenli- 25 nienförmigen Fluss innerhalb der Rippen hervorgerufen wird. Die Wirbelströmung erhöht die Wärmeübertragung durch Erhöhung der Weglänge der Strömung und der Geschwindigkeit eines Strömungsmittelelementes in der Nähe der Wand und führt ein auf das Strömungsmittel einwirkendes Zentrifugal- 30 kraftfeld ein, welches die Wärmeübertragung innerhalb des Rohrs bzw. an der Innenseite des Rohrs erhöht, wenn die Wand heisser als das Strömungsmittel ist, und welche die Wärmeübertragung ausserhalb des Rohrs bzw. an der Aussenseite des Rohrs erhöht, wenn die Rohrwand kälter als das Strömungsmit- 35 tel ist, das um das Rohr rotiert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger, in den Fig. 1 bis 5 der Zeichnung im Prinzip dargestellter, besonders bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigen:

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Fig. 1 eine teilweise Aufrissansicht eines Wärmeübertragungsrohrs gemäss der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Streifens aus metallischem Material, das mit in Längsrichtung verlaufenden Rippen ausgebildet ist und aus dem das Wärmeübertra- 45 gungsrohr der Fig. 1 ausgebildet ist;

Fig. 2a eine teilweise Querschnittsansicht längs der Linie 2a-2a der Fig. 2 ;

Fig. 2b eine teilweise Querschnittsansicht, die gleichartig bzw. ähnlich wie diejenige der Fig. 2a ist, jedoch eine alternative 50 Ausführungsform einer gerippten, metallischen, dünnen Platte zur Verwendung in dem Wärmeübertragungsrohr nach Fig. 1 veranschaulicht;

Fig. 3 eine teilweise Aufsicht, welche die Einrichtung schematisch veranschaulicht, mit der der gerippte Streifen der Fig. 2 55 zu einem spiralig gewickelten Rohr zum Zwecke des Ausbildens eines Wärmeübertragungsrohrs der Fig. 1 geformt wird ;

Fig. 4 eine schematische End- bzw. Stirnansicht der Rohrausbildungseinrichtung der Fig. 3 ; und

Fig. 5 eine Kurvendarstellung, welche die Temperaturen ei- 60 ner Wärmeübertragungsrohrwand, den Strömungsmittelfluss im Inneren durch das Rohr und den Strömungsmittelfluss ausserhalb über das Rohr als eine Funktion der Rohrlänge für ein Wärmeübertragungsrohr gemäss der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit einem geradzylindrischen Rohraufbau wiedergibt. 65

Es sei nun im einzelnen auf Fig. 1 Bezug genommen, wonach ein Wärmeübertragungsrohr 10 eine Umfangswand hat, die eine Mehrzahl von schraubenförmigen Rippen 12 definiert bzw. begrenzt, so dass abwechselnde Vertiefungen und Erhöhungen ausgebildet werden, wie bei 14a bzw. 16a angedeutet ist, wenn man das Rohr 10 von aussen betrachtet, und wie bei 14b und 16b angedeutet ist, wenn man das Rohr 10 von innen betrachtet. Um die maximale mittlere Wanddicke der Rohrwand aufrechtzuerhalten, sind die Vertiefungen der einen Oberfläche, wie z.B. der äusseren Oberfläche, vorzugsweise gegenüber den Erhöhungen der anderen Oberfläche, d.h. der inneren Oberfläche, angeordnet, und umgekehrt.

Wie aus den Fig. 2 und 2a hervorgeht, wird das dargestellte Wärmeübertragungsrohr 10 von einem anfänglich flachen Streifen oder einer anfänglich flachen, dünnen Platte aus geeignetem metallischem Wärmeübertragungsmaterial, wie z.B. Stahl, Aluminium u.a., hergestellt, der bzw. die bei 20 dargestellt ist, und dieser Streifen bzw. diese dünne Platte hat eine im wesentlichen gleichförmige Dicke und eine im wesentlichen grössere, in Längsrichtung verlaufende bzw. longitudinale Länge als die Querbreite ist. Der flache, metallische Streifen 20 ist auf seinen entgegengesetzten Oberflächen mittels bekannter Einrichtungen verformt, z.B. mittels gegenüberliegender Konturwalzen (nicht dargestellt), zwischen denen der Streifen hindurchgeführt wird, so dass die sich in Längsrichtung erstreckenden Rippen 12 in den entgegengesetzten Oberflächen ausgebildet werden. Es können auch andere Herstellungs- bzw. Bearbeitungsverfahren angewandt werden, wie z.B. Spritzguss, Extrusion oder dergl., um die Rippen 12 auszubilden. Die Rippen 12 erstrecken sich über die volle Querbreite des Streifens und bilden infolgedessen die schraubenlinienförmigen Rippen 12 auf dem Wärmeübertragungsrohr 10. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die entgegengesetzten Oberflächen des metallischen Streifens ausgeweitet, so dass sie im Querschnitt sinusförmige Bogen bilden, wie in Fig. 2a angedeutet ist. Die longitudinalen Rippen in den entgegengesetzten Oberflächen des metallischen Streifens 20 können auch durch andere Oberflächenkonfigurationen als die dargestellten sinusförmigen Bogen begrenzt werden. Beispielsweise können die Rippen durch sich in Längsrichtung erstreckende, rechteckige Rippen hergestellt sein.

Die innersten Oberflächenelemente, welche die Vertiefungen in den entgegengesetzten, gerippten Oberflächen in dem Streifen 20 bilden, wie z.B. die Elemente 14a und 14b, sind vorzugsweise durch einen durchgehenden Wandungsteil der Dicke b voneinander getrennt, wie in Fig. 2a angedeutet ist. Auf diese Weise ist der mit Rippen versehene Streifen nicht nur ein gewellter Streifen. Dadurch, dass die Vertiefungen 14a und 14b in den entgegengesetzten Oberflächen des Streifens 20 durch einen durchgehenden Wandungsteii voneinander getrennt sind, behält das Rohr, das aus den gerippten Streifen hergestellt ist, die Fähigkeit, sowohl inneren als auch äusseren Drücken zu widerstehen, ohne dass die Wände grossen Biegebelastungen ausgesetzt werden; die Rohrwand würde zu einer Deformation neigen, wenn das Rohr aus einer dünnwandigen, gewellten, dünnen Platte hergestellt würde, wie bisher für Wärmeaustauscherrohre verwendet. Ein Beispiel einer Biegebelastung, die auf eine Wand 14c wirkt, ist durch den Kraftvektor 18 in Fig. 2a angedeutet.

Obwohl die Flächen, welche die innersten Oberflächenelemente der Vertiefungen 14a und 14b in den entgegengesetzten Oberflächen des gerippten Streifens 20 enthalten, vorzugsweise im Abstand voneinander angeordnet sind, wie Fig. 2a zeigt,

kann in Abhängigkeit von dem speziellen Anwendungsfall auch eine zufriedenstellende Leistung erzielt werden, wenn diese Ebenen im wesentlichen koplanar sind bzw. im wesentlichen ' miteinander zusammenfallen, wie in Fig. 2b veranschaulicht ist. Wie die Fig. 2b zeigt, kann sich die Dimension b in Fig. 2a dem Wert Null nähern (oder diesen Wert sogar erreichen).

Das Rohr 10 kann aus jedem geeigneten metallischen Wärmeübertragungsmaterial hergestellt werden ; Beispiele umfassen

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12% Chrom-Legierungsstahl, wie es z.B. die rostfreien Stähle der Typen 420 oder 422 sind, oder die rostfreien Stähle der Typenreihe 300, Titan und Aluminium. Der metallische Streifen 20 kann eine Dicke von z.B. etwa 1,65 bis 3 mm besitzen und eine geeignete Querbreite, wie etwa 6,5 cm, haben, um 5 nachfolgend zu einem Rohr geformt zu werden, das einen Durchmesser von etwa 19 bis 25,4 mm besitzt. Eine Dicke von etwa 1,1 mm kann z.B. in den Fällen angewandt werden, in denen das Rohr 10 einen Durchmesser von etwa 12,7 mm haben soll. 10

Zur Bildung des Rohres aus dem gerippten metallischen Streifen 20 wird dieser schraubenlinienförmig um eine Achse gewickelt, so dass eine gewickelte Rohrkonfiguration entsteht und die Seitenkanten des Streifens, die in Fig. 2 mit 22 und 24 bezeichnet sind, aneinander zu liegen kommen, woraufhin die 15 aneinander anliegenden Seitenkanten strömungsmitteldicht verbunden, insbesondere aneinander befestigt werden. Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen schematisch eine Apparatur, die allgemein mit 30 bezeichnet ist und dazu dient, den in Längsrichtung gerippten, metallischen Streifen schraubenlinienförmig um eine 20 Achse zu wickeln bzw. zu formen, so dass das Wärmeübertragungsrohr 10 ausgebildet wird. Die Apparatur 30 besitzt einen zylindrischen Dorn 32, um den herum drei drehbare Rollen angeordnet sind. Die Rollen umfassen eine erste Rolle 34, die eine untere Halterolle bzw. eine Bodenhalterolle umfasst bzw. 25 ist, sowie eine zweite, seitliche Halterolle 36 bzw. eine Seiten-halterolle, die einen kleineren Durchmesser hat, und eine dritte Formungsrolle 38, welche einen grösseren Durchmesser als die Rollen 34 und 36 hat und so angeordnet ist, dass sie den Dorn 32 auf dessen der unteren Halterolle 34 entgegengesetzten Seite 30 überlagert bzw. an dieser Stelle über dem Dorn liegt. Die untere Halterolle 34 und die seitliche Halterolle 36 haben allgemein zylindrische Umfangsoberflächen und dienen dazu, mit der Um-fangsoberfläche des Dorns 32 in Eingriff zu treten und sie bzw. ihn in abgestützter bzw. gehaltener Beziehung in der Nähe der 35 Formungsrolle 38 zu halten. Die Formungsrolle 38 hat eine Umfangsoberfläche, welche ein Oberflächenprofil besitzt, das der Oberflächenkonfiguration der Rippen 12 des metallischen Streifens 20 entspricht, so dass sie der Oberfläche des gerippten, metallischen Streifens angepasst ist, während der Streifen zu 40 dem Wärmeübertragungsrohr 10 geformt bzw. ausgebildet wird. Beispielsweise kann der Dorn 32 mit einer schraubenlinienförmigen Sinuswellen-Oberflächenkonfiguration versehen sein,

damit er der gegenüberliegenden Oberfläche des gerippten Streifens 20 angepasst bzw. formengleich ist, wenn der Streifen 45 zu dem Rohr 10 geformt wird. Die Halterollen 34 und 36 sowie die Formungsrolle 38 sind so gelagert, dass sie sich um Achsen drehen, die winklig relativ zur Achse des zylindrischen Dorns 32 vorgesehen sind, wie an sich bekannt.

Beim Betrieb wird ein Streifen von vorgeformtem, geripp- so tem, metallischem Streifen 20, dessen Rippen durch Konturwal-zung darin ausgebildet worden sind, zwischen die Formungsrolle 38 und den Dorn 32 tangential zu den Umfangsoberflächen des Dorns 32 und der Formungsrolle 38 eingespeist, und zwar in einer Richtung, die senkrecht zu einer Vertikalebene verläuft, 55 welche die Rotationsachse der Formungsrolle 38 enthält. Die Formungsapparatur 30 arbeitet so, dass sie den Streifen 20 zu einer schraubenlinienförmig gewickelten, rohrförmigen Konfiguration formt, bei der sich die Seitenkanten 22 und 24 in Anlagebeziehung befinden. Danach werden die Seitenkanten des 60 schraubenlinienförmig gewickelten Streifens 20 durch irgendeine bekannte Schweisstechnik, einschliesslich Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweissung, strömungsmitteldicht aneinander befestigt. Die Oberflächenausdehnungen bzw. -Weitungen oder Rippen 12, die ursprünglich in Längsrichtung des 65 Streifens 20 vor der Formung verliefen, bilden nun eine kontinuierliche, schraubenlinienförmige, gerippte Oberfläche sowohl auf der Innen- als auch auf der Aussenseite des Rohrs 10.

Beim Formen des Wärmeübertragungsrohrs 10 wird der metallische Streifen 20 vorzugsweise so geformt, dass er einen Schraubenwinkel zwischen etwa 30 und 70 ° bildet, wobei dieser Schraubenwinkel der Winkel ist, der von der Achse des Rohrs und einer Ebene eingeschlossen wird, welche die Achse des Rohrs schneidet und tangential zu einer Stelle auf der Linie von aneinander anliegenden Seitenkanten des gewickelten Streifens ist. In Fig. 1 ist der Schraubenwinkel durch den griechischen Buchstaben phi angedeutet.

Das Rohr 10 wird so ausgebildet, dass die Rippen eine genügende Abmessung haben, damit sie einen Strömungsmittelfluss sowohl auf der innenseitigen als auch auf der aussenseiti-gen Oberfläche des Rohrs bewirken, der einem Zentrifugalkraftfeld ausgesetzt ist, das kontinuierlich so wirkt, dass es das Strömungsmittel in der Nähe der Oberflächen des Rohrs ergänzt, wenn die Richtung des Wärmeflusses radial nach einwärts relativ zu der Längsachse des Rohrs verläuft. Auf der Innenseite des Rohrs ergibt sich eine Wirbelungsströmung aus der Wechselwirkung zwischen der Strömung innerhalb der Rippen und der mittigen Kernströmung. Die Strömung innerhalb der Rippen wird durch die Rippenoberflächen gezwungen, einem schraubenlinienförmigen Weg zu folgen, der eine Sekundärströmung längs der Oberflächen der Rippe normal bzw. senkrecht zu dem spiralförmigen Durchfluss innerhalb der Rippe hervorruft. Diese Sekundärströmung wird durch die Wärmeübertragung von der Wand höherer Temperatur zu der Rippenoberfläche verstärkt, da das Strömungsmittel, welches vom Kern in die Rippe eintritt, eine niedrigere Temperatur und eine höhere Dichte als die Strömung hat, welche die Rippe verlässt. Da diese schraubenlinienförmige Rippenströmung infolge der erwähnten Sekundärströmung eine Rotationskomponente hat, kann die Haupt-Kernströmung so angesehen werden, als sei sie von einer Reihe von Wirbelströmungen innerhalb der Rippen begrenzt, welche weiterhin eine Rotation auf die Haupt-Kernströmung übertragen bzw. bei der Haupt-Kernströmung hervorrufen. Es ergibt sich ein Energie- und Momentenaustausch über die Oberfläche der Grenze der beiden Strömungen, eine Erwärmung der Kernströmung und ein In-Rotation-Versetzen der Strömung. Da innerhalb des Strömungsmittels keine Grenze vorhanden ist, welche diese Rotation behindert, ergibt sich eine Strömungsverteilung, die gleichartig bzw. ähnlich wie eine freie Turbulenz ist, und die nur durch die Turbulenzeigenschaften des Strömungsmittels behindert wird. Der Mechanismus auf der Aussenseite des Rohrs ist gleichartig bzw. ähnlich demjenigen auf der Innenseite, da der Wärmefluss bewirkt, dass die Strömungsmitteldichte auf der Aussenseite des Rohrs abnimmt.

Das Rohr 10 ergibt hervorragende Wärmeübertragungseigenschaften gegenüber konventionellen Wärmeübertragungsrohren mit zylindrischer Wand, und zwar aus zwei Gründen. Erstens ergibt sich eine grössere Wärmeübertragungsoberfläche, weil sich die Oberflächenausweitungen, welche die Rippen begrenzen bzw. definieren, in die Strömung erstrecken und dadurch die Wärmeübertragungsoberfläche ausweiten; und zweitens wegen der Rotationsströmung, die durch die Umfangs-komponente der Oberflächenreibung induziert wird. Die Wirbelungsströmung erhöht die Wärmeübertragung, indem sie die Weglänge und die Geschwindigkeit eines Strömungsmittelelements in der Nähe der Wand erhöht und ein auf das Strömungsmittel einwirkendes Zentrifugalkraftfeld einführt, das als eine Körperkraft bzw. eine körperliche Kraft wirkt, welche die Wärmeübertragung innerhalb des Rohrs verbessert, wenn die Wand heisser als das Strömungsmittel ist, und welche die Wärmeübertragung ausserhalb des Rohrs verbessert, wenn die Wand kälter als das das Rohr umgebende Strömungsmittel ist. Die auf diese Weise erzeugte Strömungsmittelkörperkraft bewirkt eine kontinuierliche Ergänzung des Strömungsmittels in der Nachbarschaft der Rohrwandoberflächen.

Die überragenden Wärmeübertragungseigenschaften, die mit dem Wärmeübertragungsrohr 10 erreicht werden, lassen sich insbesondere aus Fig. 5 ersehen. In Fig. 5 sind durch Kurvendarstellungen die Temperatur der Rohrwand eines Wärmeübertragungsrohrs, die Temperatur eines Strömungsmittels, das innerhalb des Rohrs fliesst, wie z.B. Wasser, und die Temperatur eines Strömungsmittels, das aussen über das Wärmeübertragungsrohr verläuft, wie z.B. Helium, als Funktion der Länge entlang des Rohrs für ein Wärmeübertragungsrohr gemäss der Erfindung im Vergleich mit einem konventionellen, geraden oder zylindrischen Wärmeübertragungsrohraufbau dargestellt. Die vertikale Achse der Kurvendarstellung der Fig. 5 gibt die Temperatur in °C wieder, während die horizontale Achse der Kurvendarstellung die Rohrlänge in cm wiedergibt. Die bei 40 und 42 dargestellten Kurven geben die mittlere Metalltemperatur der Rohrwände eines Wärmeübertragungsrohrs 10 bzw. eines eine gerade oder zylindrische Rohrwand aufweisenden, metallischen Wärmeübertragrungsrohrs wieder, und zwar entlang der Rohrlänge, wenn sich das Strömungsmittel ausserhalb der Rohre 40 und 42 auf Temperaturen befindet, wie sie durch die Kurven 44 bzw. 46 wiedergegeben werden, und wenn sich das Strömungsmittel innerhalb der Rohre auf Temperaturen befindet, wie sie durch die Kurven 48 bzw. 50 wiedergegeben werden. Es ist ersichtlich, dass die maximale Rohrtemperatur von etwa 620 °C für ein Wärmeübertragungsrohr mit einer geraden oder zylindrischen Wand, wie durch die Kurve 42 wiedergegeben ist, auf eine maximale Temperatur von 560 °C für ein Wärmeübertragungsrohr 10, wie durch die Kurve 40 angedeutet ist, abfällt. Es lässt sich weiterhin ersehen, dass die Temperatur der Rohrwand für das Wärmeübertragungsrohr 10, wie durch die Kurve 40 wiedergegeben, beträchtlich geringer als die Temperatur der Rohrwand eines geradwandigen Wärmeübertragungsrohrs, wie sie durch die Kurve 42 repräsentiert wird, bei vergleichbaren Abständen entlang der Länge der Rohre unter den Temperaturbedingungen ist, die für Strömungsmittel, welches innerhalb der Rohre, und für Strömungsmittel, welches ausserhalb über die Rohre strömt, veranschaulicht sind.

Wegen der grösseren Wärmeübertragungseigenschaften des Wärmeübertragungsrohrs 10 lässt sich bereits jetzt sagen, dass die Kosten der Wärmeübertragungsrohre für Dampfgeneratoren von existierenden Auslegungen um einen Faktor von mehr

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als 3 vermindert werden können, und zwar gegenüber der Verwendung von konventionellen, zylindrischen Rohren, die aus Chrome Molly oder Incoloy hergestellt sind, wobei beide in schraubenlinienförmiger Rohrform geschweisst sein können 5 und die aneinander anliegenden Kanten des spiralgewickelten Streifens durch Bimetallschweissungen befestigt sein können.

Zusätzlich zu den verminderten Kosten der Wärmeübertragungsrohre an sich ist eine weitere Herabsetzung der Kosten des Wärmeaustauschers möglich aufgrund der Tatsache, dass die io Anzahl von Schweissungen zwischen den Rohren und den Rohrplatten herabgesetzt wird, und demgemäss wird die Anzahl von Löchern, die in den Rohrhalteplatten erforderlich sind, vermindert. Weiterhin können die Rohrabstandsteile in hohem Masse vereinfacht werden. Die beträchtlich geringere Anzahl 15 von Rohren in einem äquivalenten Wärmeaustauscher, die sich durch Anwendung der Wärmeübertragungsrohre 10 ergibt,

führt ausserdem zu einer Herabsetzung der Zusammenbauzeit und der Arbeit, so dass auf diese Weise eine weitere Kostenreduktion erreicht wird. Es lässt sich abschätzen, dass eine Ge-20 samtersparnis von etwa 35 bis 40% bei Dampfgeneratoren oder Wärmeaustauschern durch Verwendung der Wärmeübertragungsrohre 10 gemäss der Erfindung gegenüber den Kosten von Dampfgeneratoren, die konventionelle, zylindrische Wärmeübertragungsrohre haben, realisiert werden kann.

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Ein anderer signifikanter Faktor, der sich bei der Verwendung von Wärmeübertragungsrohren 10 in Wärmeaustauschern ergibt, ist die Tatsache, dass die Temperatur der Rohrwand nach der kühleren Prozessströmung hin einseitig beeinflusst 30 werden kann, und zwar durch eine geeignete Steuerung, die über die Grösse der Erhebungen erfolgen kann, d.h. über das Auskehlen, Rippen, Riffeln, Riefen, Kannelieren oder dergl., und die Grösse der sinuswellenförmig gekrümmten Querkonfiguration, auf jeder Seite des Rohrs. Die Wärmeübertragungs-35 Steigerung bzw. -erhöhung, die durch die sinuswellenförmig gerippte Umfangswand des Wärmeübertragungsrohrs nach der Erfindung eingestellt wird, führt zu einem höheren Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Innenseite des Rohrs, was zu einer mittleren Metalltemperatur der Rohrwand führt, die näher 40 an der Strömungsmitteltemperatur innerhalb des Rohrs liegt, wodurch die Wirkung von Streifen, Schlieren oder dergl. verstärkt wird.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Wärmeübertragungsrohr für einen Wärmeaustauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwand eine Mehrzahl von inneren und äusseren, schraubenlinienförmigen Rippen (12) für die Strömung eines Wärmeaustauscher-Strömungsmittels ent- 5 lang derselben aufweist, wobei die schraubenlinienförmigen Rippen (12) in Längsrichtung des Wärmeübertragungsrohres verlaufen, von gleichförmiger Konfiguration sind und innere und äussere schraubenlinienförmige Vertiefungen (14a, 14b) und Erhöhungen (16a, 16b) begrenzen. io
2. 2. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (b) der Rohrwand im wesentlichen gleichförmig ist, wobei die durch die Scheitellinien der inneren bzw. äusseren Vertiefungen (14a, 14b) festgelegten Flächen zwischen sich einen durchgehenden Wandungsteil (b) ein- 15 schliessen.
3. 3. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1 oder 2,

   dadurch gekennzeichnet, dass sich die schraubenlinienförmigen Rippen (12) im wesentlichen über die volle Länge des Wärmeübertragungsrohres erstrecken. 20
4. 4. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragungsrohres nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

   a) Formen der gegenüberliegenden Oberflächen eines Materialstreifens (20) zur Ausbildung welliger Oberflächen über 25 die Breite des Streifens, wobei die welligen Oberflächen Rippen (12) definieren, die sich in Längsrichtung des Streifens erstrek-ken und Erhöhungen (16a, 16b) sowie Vertiefungen (14a, 14b) bilden.

   b) Biegen des gerippten Streifens (20) zu einer Rohrkonfi- 30 guration durch schraubenlinienförmiges Wickeln des Streifens koaxial zu einer Achse, derart, dass die Seitenkanten (22,24)

   des Streifens aneinander anliegen und c) strömungsmitteldichtes Verbinden der aneinander anliegenden Seitenkanten (22,24) des schraubenlinienförmig gewik- 35 kelten Streifens.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

   dass die gewellten Oberflächen im Streifen (20) so geformt werden, dass die durch die Scheitellinien der Vertiefungen (14a, 14b) in den gegenüberliegenden Oberflächen festgelegten Flä- 40 chen zwischen sich einen durchgehenden Wandungsteil (b) ein-schliessen.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Streifen (20) dadurch zu einer Rohrkonfigu- 45 ration geformt wird, dass man den Streifen schraubenlinienförmig um einen Dorn (32) wickelt.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinander anliegenden Seitenkanten (22,24) des schraubenlinienförmigen Streifens (20) durch 5Q Schweissen strömungsmitteldicht verbunden werden.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt des Formens der gegenüberliegenden Oberflächen des Streifens (20) derart erfolgt, dass die Oberflächen sinusförmig verformt werden. 55
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gewellten Oberflächen durch Profilwalzen des Streifens (20) in dessen Längsrichtung ausgebildet werden.

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