DE2043459A1 - Heat transfer tube - for steam condensation - Google Patents

Abstract

Heat transfer coefficient is increased by incorporation of grooves on the outside of steam condensation tubes. The grooves can be vertical, spiral or curved, and are 0.3 to 3 mm wide and 0.3-3 mm deep. The depth and width are pref the same.

Description

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. Heat exchanger tubes for steam condensation The present invention relates to heat exchanger tubes in which the heat transfer occurs on the outside of the tube occurs through condensation and that for horizontal or slightly inclined installation are provided.

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.Only the decisive factors for the dimensioning of heat exchangers for the chemical and related industry is in addition to the amount of heat to be converted and the permissible energy loss of the process, the heat transfer coefficient of the heat exchange surface. As a result, apart from the throughput of such devices, the Flow cross-sections determine the dimensions and costs of the heat exchanger without phase change or

von Verdampfern und Kondensatoren festgelegt.set by evaporators and condensers.

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.Efforts to improve heat exchangers and reduce the Therefore, costs incurred by such apparatus are concentrated on increasing the heat transfer coefficients of both exchange surfaces or on one the most cost-saving enlargement of the heat-transferring surfaces on the side, which is wetted by the medium with the poorer heat transfer conditions.

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.One of the most famous measures by which the effectiveness of heat exchangers The ribbing of the exchange surfaces has been increased considerably the side unrestricted by gases. Furthermore, efforts are constantly being made continued, the physically extremely interesting and economically promising droplet condensation to make it usable for the heat transfer with condensation of the heat-emitting substance. The conditions are extremely favorable. For example, the cost of the heat exchange surfaces of expansion evaporators for the extraction of fresh water from the sea, not least because of the high demands on the corrosion resistance of the materials used, according to literature approx. 30% of the system costs. The required heat exchangers can be reduced in almost the same ratio as the specific heat transfer capacity the exchanger is increased.

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.Droplet condensation could reduce the heat transfer coefficient on the condensation side such capacitors can be significantly improved, but so far it still is failed to meet the requirements of droplet condensation in a technical Plant maintain if temperature gradient in the condensate layer that significantly exceed 10C, result from the permitted heat flows. After Gregorig puts under idealized Conditions after trials von Kirschbaum, the gradient of 1.20C represents the limit from which the drop condensation offers any advantages compared to film condensation, its alternative.

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.Furthermore, Gregorig has already suggested increasing the heat transfer coefficients Proposed for film condensation, heat exchanger tubes for power plant condensers to be provided with longitudinal shafts by extrusion. This became the external heat transfer coefficient increased three to four times. Under favorable circumstances, a downsizing could be achieved of capacitors to half of the previous dimensions and a corresponding Reduction of the cost of materials can be achieved.

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.A decisive disadvantage of these Gregorig heat exchanger tubes is that it can be used for standing, but not for horizontal pipe arrangements are suitable, whereas the usual heat exchangers for various reasons almost can only be built horizontally. One of the most important factors is that, according to Nusselt, the heat transfer during condensation is considered to be dormant accepted steam (e.g. with vertical Flow of the heat exchange surface) with increasing height H of the heat exchanging wall with the factor H 1/4 decreases.

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.Vertical heat exchanger with condensation, for structural reasons several times longer than being wide, would therefore be opposite from the outset lying arrangements may be disadvantaged. They are therefore only used there where for other reasons a vertical arrangement of the heat exchangers is required.

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.A temperature gradient occurs during heat transfer through condensation in that the condensed liquid spreads on the exchange surface and therefore condensation not directly on the wall, but on the surface of the liquid takes place. The heat released must therefore first be transported through this film from which a hindrance to the heat exchange results.

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.It is therefore important to keep this film as thin as possible, what with increasing height of the heat exchanging wall because of the draining condensate only can be imperfectly achieved. Laying pipes, their relevant height in the case of individual arrangement their diameter is of the same order of magnitude, behave for this reason cheaper as tubes in a vertical arrangement. On the other hand comes the effect of water suction from part of the surface found by Gregor% in the longitudinal grooves with a horizontal arrangement do not have any effect, as the grooves and bumps are flooded by the running water and the heat transfer coefficient is almost reduced to that of the smooth tube.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Wärmetauscherrohre mit hoher Wärmeübergangszahl bei waagerechtem oder leicht geneigtem Einbau zu entwickeln.The present invention is therefore based on the object of providing heat exchanger tubes to develop with a high heat transfer coefficient with horizontal or slightly inclined installation.

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.It has now been shown that this task is surprisingly simple Way can be solved with heat exchanger tubes, which are characterized by that they are at least partially on the outside of the tube with a diamond-shaped, wave-shaped or a similar arrangement of circumferential grooves with a width of 0.3 to 3 mm and 0.3 to 3mm depth are provided. Preferably both the width and the depth are the grooves about lamb.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung sind die Rillen in Form von parallelen Ringen oder Spiralen ausgeführt.According to an advantageous embodiment of the invention, the grooves are in the form of parallel rings or Spirals executed.

Ferner können die erfindungsgemäßen Wärmetauscher derart ausgebildet sein, daß sie zur Aufnahme von inneren beweglichen oder stillstehenden Einbauten geeignet sind.Furthermore, the heat exchangers according to the invention can be designed in this way be that they are used to accommodate internal movable or stationary internals are suitable.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Abbildungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung hervor.Further features, advantages and possible uses of the invention go from the following description as well as from the attached illustrations of exemplary embodiments of the invention.

In Fig. 1 sind in Seitenansicht drei Wärmetauscherrohre mit verschiedener Rillung wiedergegeben. Fig. 2 zeigt den Mittenschnitt durch das Wärmetauscherrohr nach Fig. la.In Fig. 1, three heat exchanger tubes with different are in side view Creasing reproduced. Fig. 2 shows the center section through the heat exchanger tube according to Fig. la.

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.The non-grooved sections - on the left in Fig. 1, on both sides in Fig. 2 - are intended for the installation of the heat exchanger tubes according to the invention. A significant one The assembly of the new heat exchanger pipes is made easier if at the manufacture of which care is taken to ensure that the outer diameter of the grooved outside of the pipe is no larger than the outer diameter of the smooth, for fastening, in particular Einwalsen, provided Pipe sections. The associated reduction the inside diameter in the area of the grooves, see Fig. 2, is practically meaningless and can be achieved by using tubes that are opposite to comparable smooth tubes have a correspondingly larger diameter, offset without significant additional costs will.

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.With the horizontally installed heat exchanger tubes according to the invention were the results of heat transfer measurements on longitudinally grooved verticals Pipes exceeded significantly. The economic consequences for such a The example of seawater desalination can increase the heat transfer coefficients can be judged for those who have previously been only achievable with the heat exchanger tubes according to the present invention increase this coefficient results in a cost reduction for the entire system of approx. 10 to 11, ' was calculated.

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.In general, thicker pipe walls are used for coarser grooves than for finer grooves required. It can therefore be beneficial, for example valuable Pipe material to save the heat exchanger tubes for the top one To provide rows of pipes with a fine grooving and only the lower rows of pipes, which are burdened by a higher amount of condensation, with a coarser grooving execute.

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.The following special advantages result if the grooves are plastic Deformation can be generated: 1. The grooves can be made before the tubes are rolled in are interrupted, so that such tubes in contrast to extruded heat exchanger tubes with longitudinal grooves without special processing using conventional methods such as smooth tubes to be rolled in.

2. Das Ausrichten der Rohre entfällt, weil gerillte Rohre durch den Rillproseß unter plastischer Verformung hergestellt werden. 2. There is no need to align the pipes, because grooved pipes through the Grooved billets are produced under plastic deformation.

3. Durch Rillung tritt eine Verengung des Rohrquorschnitts ein, während die ungerillten Enden den ursprdnglichen Rohrdurchmesser beibehalten (vgl. 3. Creasing causes a narrowing of the cross section of the pipe, while the ungrooved ends retain the original pipe diameter (cf.

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 ii gerillten Teil dem Durchmesser des ungerillten Rohres entspricht, wodurch sich die bereits oben erwähnten Vorteile beim Einbau der Rohre ergeben. Fig. 2). This results in a fluidically favorable pipe inlet, which is achieved through careful formation of the transition from the smooth to the grooved part can be improved. It is also easy to achieve that the maximum outside diameter ii grooved part corresponds to the diameter of the non-grooved pipe, which results in the advantages already mentioned above when installing the pipes.

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.4. Almost all materials used in chemical apparatus engineering, in particular for heat exchanger tubing, are plastically deformable and for the proposed Process suitable, which is not in every case for pipes produced in the extrusion process Trap applies.

Claims (4)

PatentansprücheClaims 1.)Wärmetauscherrohre für waegerechten oder leicht geneigten Einbau mit Wärmeübergang auf der Rohraußenseite durch Kondensation, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest teilweise auf der Rohraußenseite mit einer rauten-, wellenförmigen oder ähnlichen Anordnung von umlaufenden Rillen mit 0,3 bis 3Xz Breite und 0,3 bis 3om Tiefe versehen sind.1.) Heat exchanger pipes for horizontal or slightly inclined installation with heat transfer on the outside of the pipe through condensation, characterized in that that they are at least partially on the outside of the tube with a diamond-shaped, wave-shaped or a similar arrangement of circumferential grooves 0.3 to 3Xz wide and 0.3 to 3om depth are provided. 2. Wärmetauscherrohre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen eine Breite und eine Tiefe von jeweils etwa imm aufweisen.2. Heat exchanger tubes according to claim 1, characterized in that the grooves each have a width and a depth of approximately imm. 3. wärmetauscherrohre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen in Form von parallelen Ringen oder Spiralen ausgeführt sind.3. heat exchanger tubes according to claim 1 or 2, characterized in that that the grooves are designed in the form of parallel rings or spirals. 4. Wärmetauscherrohre nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Aufnahme von inneren beweglichen oder stillstehenden Einbauten ausgebildet sind.4. Heat exchanger tubes according to claim 1 to 3, characterized in that that they are designed to accommodate internal movable or stationary internals are. L e e r s e i t eL e r s e i t e