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Wärmetauscherrohre flir Dampfkondensation Die vorliegende Erfindung
betrifft Wärmetauscherrohre, bei denen der Wärmeübergang auf der Rohraußenseite
durch Kondensation erfolgt und die für waagerechte oder leicht geneigten Einbau
vorgesehen sind.
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Einz der maßgeblichen Faktoren für die Bemessung von Wärmetauschern
für die chemische und verwandte Industrie ist neben der umzusetzenden Wärmemenge
und dem zulässigen Energieverlust des Prozesses die Wärmedurchgangszahl der Wärmeaustauschfläche.
Hierdurch werden, abgesehen von dem Mengendurchsatz derartiger Apparate, der die
Strömungsquerschnitte bestimmt, die Abmessungen und die Kosten des Wärmeaustauschers
ohne Phasenänderung bzw.
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von Verdampfern und Kondensatoren festgelegt.
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Bemühungen zur Verbesserung von Wärmetauschern und zur Senkung der
Kosten, die von derartigen Apparaten verursacht werden, konzentrieren sich daher
auf die Erhöhung der Wärmeübergangszahlen beider Austauschtlächen oder auf eine
möglichst kostensparende Vergrößerung der wärmeübertragenden Flächen auf der Seite,
die vom Medium mit den schlechteren Wärmeübergangsbedingungen benetzt wird.
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Eine der bekanntesten Maßnahmen, durch die die Effektivität von Wäruetauschern
beträchtlich gesteigert werden konnte, ist die Berippung der Austauschflächen auf
der von Gasen uiströiten Seite. Ferner werden ständig die Bemühungen
fortgesetzt,
die physikalisch äußerst interessante und wirtschaftlich aussichtsreiche Tropfenkondensation
für den Wärmeübergang mit Kbndensation des wärmeabgebenden Stoffs nutzbar zu machen.
Die Bedingungen sind denkbar günstig. Zum Beispiel betragen die Kosten für die Wärmeaustauschflächen
von Entspannungsverdampfern für die Süßwassergewinnung aus dem Meer, nicht zuletzt
wegen der hohen Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit der verwendeten Materialien,
nach Literaturangaben ca. 30% der Anlagenkosten. Die erforderlichen Wärmeaustauscher
können nahezu im gleichen Verhältnis verkleinert werden, wie die spezifische Wärmeübertragungsleistung
der Austauscher erhöht wird.
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Durch Tropfenkondensation könnte die Wärmeübergangszahl auf der Kondensationsseite
solcher Kondensatoren entscheidend verbessert werden, jedoch ist es bisher noch
nicht gelungen, die Voraussetzungen der Tropfenkondensation in einer technischen
Anlage aufrecht zu erhalten, wenn Temperaturgefälle in der Kondensatschicht, die
wesentlich über 10C hinausgehen, aus den zugelassenen Wärmeströmen resultieren.
Nach Gregorig stellt unter idealisierten
Bedingungen nach Versuchen
von Kirschbaum das Gefälle von 1,20C die Grenze dar, von welcher an die Tropfenkondensation
überhaupt Vorteile im Vergleich zur Filmkondensation, ihrer Alternative, bietet.
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Ferner wurde bereits von Gregorig zur Steigerung der Wärmeübergangszahlen
bei der Filmkondensation vorgeschlagen, Wärmetauscherrohre für Kraftwerkskondensatoren
durch Strangpressen mit Längswellen zu versehen. Dadurch wurde die äußere Wärmeübergangszahl
auf das drei- bis vierfache erhöht. Unter günstigen Umständen konnte eine Verkleinerung
von Kondensatoren auf die Hälfte der bisherigen Abmessungen und eine entsprechende
Reduzierung des Materialaufwandes erzielt werden.
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Ein entscheidender Nachteil dieser Wärmetauscherrohre nach Gregorig
besteht darin, daß sie zwar für stehende, nicht jedoch für liegende Rohranordnungen
geeignet sind, wogegen die üblichen Wärmetauscher aus verschiedenen Gründen fast
ausschließlich in liegender Bauweise erstellt werden. Einer der wichtigsten Faktoren
ist dabei, daß nach Nußelt der Wärmeübergang bei der Kondensation mit als ruhend
angenommenem Dampf (z.B. bei senkrechter
Anströmung der Wärmeaustauschfläche)
bei zunehmender Höhe H der wärmeaustauschenden Wand mit dem Faktor H 1/4 sinkt.
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Stehende Wärmetauscher mit Kondensation, die aus baulichen Gründen
mehrfach länger als breit zu sein pflegen, würden also von vornherein gegenüber
liegenden Anordnungen benachteiligt sein. Sie werden daher ausschließlich dort angewendet,
wo aus anderen Gründen eine Senkrechtanordnung der Wärmetauscher erforderlich ist.
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Ein Temperaturgefälle beim Wärmeübergang durch Kondensation tritt
dadurch ein, daß sich die kondensierte Flüssigkeit auf der Austauschfläche ausbreitet
und deshalb Kondensation nicht unmittelbar auf der Wand, sondern auf der Flüssigkeitsoberfläche
stattfindet. Die freiwerdende Wärme muß daher zunächst durch diesen Film transportiert
werden, woraus eine Behinderung des Wärmeaustauschs resultiert.
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Es gilt daher, diesen Film so dünn wie möglich zu halten, was mit
zunehmender Höhe der wärmeaustauschenden Wand wegen des ablaufenden Kondensats nur
unvollkommen erreicht werden kann. Liegende Rohre, deren maßgebliche Höhe bei Einzelanordnung
größenordnungsmäßig gleich deren Durchmesser ist, verhalten sich aus diesem Grunde
günstiger
als Rohre in senkrechter Anordnung. Andererseits kommt
der von Gregor%gefundene Effekt der Wasserabsaugung von einem Teil der Oberfläche
in die Längsrillen bei waage rechter Anordnung nicht zur Wirkung, da die Rillen
und Erhebungen durch das ablaufende Wasser überschwemmt werden und die Wärmeübergangszahl
nahezu auf diejenige des glatten Rohres reduziert wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Wärmetauscherrohre
mit hoher Wärmeübergangszahl bei waagerechtem oder leicht geneigtem Einbau zu entwickeln.
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Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe auf überraschend einfache
Weise mit Wärmetauscherrohren gelöst werden kann, die dadurch gekennzeichnet sind,
daß sie zumindest teilweise auf der Rohraußenseite mit einer rauten-, wellenförmigen
oder ähnlichen Anordnung von umlaufenden Rillen mit 0,3 bis 3mm Breite und 0,3 bis
3mm Tiefe versehen sind. Vorzugsweise betragen sowohl die Breite als auch die Tiefe
der Rillen etwa lamm.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung sind die Rillen
in Form von parallelen Ringen oder
Spiralen ausgeführt.
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Ferner können die erfindungsgemäßen Wärmetauscher derart ausgebildet
sein, daß sie zur Aufnahme von inneren beweglichen oder stillstehenden Einbauten
geeignet sind.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
gehen aus der folgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Abbildungen von Ausführungsbeispielen
der Erfindung hervor.
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In Fig. 1 sind in Seitenansicht drei Wärmetauscherrohre mit verschiedener
Rillung wiedergegeben. Fig. 2 zeigt den Mittenschnitt durch das Wärmetauscherrohr
nach Fig. la.
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Die nicht gerillten Abschnitte - links in Fig. 1, beidseitig in Fig.
2 - sind zum Einbau der drfindungsgemäßen Wärmetauscherrohre vorgesehen. Eine erhebliche
Erleichterung bei der Montage der neuen Wärmetauscherrohre ergibt sich, wenn bei
deren Herstellung darauf geachtet wird, daß der Außendurchmesser der gerillten Rohraußenseite
nicht größer ist als der Außendurchmesser der glatten, zum Befestigen, insbesondere
Einwalsen,vorgesehenen
Rohrabschnitte. Die damit verbundene Reduzierung
des Innendurchmessers im Bereich der Rillung, vgl. Fig. 2, ist praktisch bedeutungslos
und kann durch Verwendung von Rohren, die gegenüber vergleichbaren glatten Rohren
einen entsprechend größeren Durchmesser aufweisen, ohne erhebliche Mehrkosten ausgeglichen
werden.
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Mit den erfindungsgemäßen, waagrecht eingebauten Wärmetauscherrohren
wurden die Ergebnisse von Wärmeübergangsmessungen an längsgerillten senkrechten
Rohren erheblich überschritten. Die wirtschaftlichen Kohsequenzen für eine derartige
Steigerung der Wärmeübergangszahlen können am Beispiel der Meerwasserentsalzung
ermessen werden, für die bereits früher für eine bisher als undurchführbar erwiesene,
erst mit den Wärmetauscherrohren nach der vorliggenden Erfindung erreichbare Erhöhung
dieses Koeffizienten eine Kostensenkung für die Gesamtanlage von ca. 10 bis 11,'
errechnet wurde.
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Im allgemeinen sind für gröbere Rillen dickere Rohrwandungen als für
feinere Rillen erforderlich. Es kann daher vorteilhaft sein, beispielsweise um wertvolles
Rohrmaterial
zu sparen, die Wärmetauscherrohre für die obersten
Rohrreihen mit einer feinen Rillung zu versehen und nur die unteren Rohrreihen,
die durch einen höheren Kondenxatanfall belastet sind, mit einer gröberen Rillung
aussuführen.
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Folgende besonderen Vorteile ergeben sich, wenn die Rillen durch plastische
Verformung erzeugt werden: 1. die Rillung kann vor dem Einwalzstellen der Rohre
unterbrochen werden, so daß derartige Rohre im Gegensatz zu stranggepreßten Wärmetauscherrohren
mit Längsrillen ohne besondere Bearbeitung nach üblichen Verfahren wie Glattrohre
eingewalst werden.
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2. Das Ausrichten der Rohre entfällt, weil gerillte Rohre durch den
Rillproseß unter plastischer Verformung hergestellt werden.
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3. Durch Rillung tritt eine Verengung des Rohrquorschnitts ein, während
die ungerillten Enden den ursprdnglichen Rohrdurchmesser beibehalten (vgl.
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Fig. 2). Hierdurch ergibt sich ein strömungstechnisch günstiger Rohreinlauf,
der durch sorgfältige Ausbildung des ffbergangs von glatten zum gerillten Teil noch
verbessert werden kann. Außerdem ist leicht zu erreichen, daß der maximale Außendurchmesser
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gerillten Teil dem Durchmesser des ungerillten Rohres entspricht,
wodurch sich die bereits oben erwähnten Vorteile beim Einbau der Rohre ergeben.
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4. Nahezu alle Werkstoffe des chemischen Apparstebaus, insbesondere
für Wärmetauscher-Berohrungen, sind plastisch verformbar und für das vorgeschlagene
Verfahren geeignet, was für im Strangpreßverfahren hergestellte Rohre nicht in jedem
Falle gilt.