DE2156578A1

DE2156578A1 - Flexible rohrleitung zur fortleitung von fluiden, insbesondere zur waermeuebertragung

Info

Publication number: DE2156578A1
Application number: DE2156578A
Authority: DE
Inventors: Knut Dr Ing Kauder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-11-15
Filing date: 1971-11-15
Publication date: 1973-05-24
Also published as: DE2156578B2; JPS5517920B2; US3817319A; JPS4862006A

Description

Dr.-Ing. Knut Kauder Hannover

9. It. 1971

Flexible Rohrleitung zur Fortleitung von Fluid»η, insbesondere zur Wärmeübertragung

Di· vorliegende Erfindung bezieht »ich auf flexible Rohrleitungen zur Fortleitung insbesondere wärmeabgebender Fluide aus einem ganz oder teilweise gewellten Bohr mit schraubenförmig verlaufender Wallung,

In weiten Bereichen der Technik werden Rohre verwendet, deren Wandung durch regelmäßig wiederkehrende geometrische Formen gebildet werden. Solche Rohre können flexibel oder steif sein, um bestimmten Anforderungen zu genügen. In den meisten Anwendungafallen dienen diese Rohre zum Flüssigkeits-, Gas- oder Wärmetransport, wobei heute neben kurzen flexiblen Verbindungen, sogenannten Metallschläuchen, mittlere Längen für den WärMeaustausch und gewellte Rohre größerer Längen von mehreren hundert Metern für Brauchwasser-, Abwasser- und Fernheizungsnetze eingesetzt werden* Diese sog. Wellrohre können ihrer Flexibilität wegen auf Trommeln aufgewickelt und wie ein elektrisches Kabel unmittelbar ins Brdreich verlegt werden. In den letzten Jahren ist der Bedarf an solchen rillenrauhen Rohren sehr rasch angestiegen, die Verwendung der Rohre jedoch für bestimmte Zwecke, beispielsweise als WlrMetauscherrohre, erfüllt jedoch nicht iMMer die an sie gestellten Forderungen«

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Beim Wärmetausch dürfen sich die strömenden Medien bekanntlich im allgemeinen nicht unmittelbar berühren. Aus diesem Grunde wählt man zur. Wärmeübertragung von einem Medium auf ein anderes häufig Rohrleitungen, die einmal die Aufgabe haben, die strömenden Medien in räumlich getrennten Bahnen zu führen, und gleichzeitig die Wärme auf möglichst kurzem Wege übertragen sollen.

Für dünnwandige Rohre mit großer Wärmeleitzahl λ gilt für die Wärmedurchgangszahl k die bekannte Beziehung:

In Gleichung (l) bedeuten: A = Bezugsfläche, mittlere Heizfläche A = <if«L«d mit

« = ' als logarith— m i^n da/Qi

mischer Mittelwert A_± ~<W 'L^d₁ A_a «flT.L-d_a L a Länge -

Aus der obigen Gleichung ergibt sich, daß die Wärmedurchgangszahl k immer kleiner als der kleinste Wert der Wsrmeübergangszahl oC ist. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Wärmeiibergangszahl oC z. B. auf der Rauch-, Gas- oder Luftseite und bei Kondensatoren auf der Wneserseite zu erhöhen. Ein geeignetes Mittel hierfür iet die Beeinflussung der Strömung in dem die Fluide führenden Rohr.

So ist es beispeisiweise bereits bekannt, zur Beeinflussung der Strömung von in einem glatten Rohr geführten Medien in das Rohr biemlenförmige Einbauten 'unterschiedlicher Quer- · schnitte einzusetzen. Desgleichen hai tian auch bereits glatte Rohre mit blendenförmigen Einbauten rechteckigen Querschnitts

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versehen, die entweder scheibenförmig, propellerartig oder wendelartig aufgebaut waren. Der Wärmeübergang kann bei konstanter ReynöTdscher Zahl bis achtmal so groß, der Druckverlust je nach Füllkörperart bis lOOOOmal so groß wie in glatten Rohren werden. Die wirtschaftlichen Vorteile des erhöhten Wärmeüberganges müssen mit hohen DruckνerIusten, d. h. vergleichsweise hoher zu installierender Pumpenleistung, erkauft werden.

Durch die Erfindung werden diese Schwierigkeiten bei flexiblen Rohrleitungen zur Fortleitung von Fluiden, insbesondere zur Wärmeübertragung, überwunden. Gemäß der Erfindung beträgt das Verhältnis von Wellentiefe zum halben Abstand zweier Wellenkuppen eines ganz oder teilweise gewellten Rohres mit schraubenlinienförmig verlaufender Wellung r; 0,01 bis 0,5, das Verhältnis von Wellentiefe zum Rohrinnendurchmesser — 0,01 bis 1,0 und der Winkel der Welleneteigung & 5 bis 20°. Ein Rohr, das diesen Bedingungen entspricht, unterscheidet sich von den : oben genannten bekannten Einrichtungen und Anordnungen zur Turbulenzerzeugung dadurch, daß die Strömung im Rohr in eine Rotation versetzt wird. Unter Rotation ist hierbei der Quotient aus dem Produkt der Umfangsgeechwindigke: it und dem Umfang sowie der doppelten Querechnittsflache zu verstehen. Die Rotation wird demnach umso größer, je größer das Produkt aus Geschwindigkeit und Umfang und je kleiner der Querschnitt ist.

Durchströmt eine ' zähige Flüssigkeit beispielsweise ein Rohr mit schraubenförmiger Kontur, dann überträgt die Schraubenfor« aufgrund der vorhandenen Zugspannungen eine Drehung •uf den zylindrischen Kernitrom. Demnach setzt sich die Geschirindigkeitsverteilung au· zwei Komponenten, nänlich der Axial- und der Umfangsgeschwindigkeit euaoKnin. Die

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Stärke der Rotation und ihre Verteilung hängen entscheidend vom Rillenrauhigkeitsgrad ab, der durch das Verhältnis von Wellentiefe t zum Wellenabstand T gegeben ist. Dabei übt der Wellenabstand, im vorliegenden Fall besser Wellensteiguig genannt, auf die Drehung bzw. Rotation der Kernströmung einen stärkeren Einfluß aus, als es die Wellentiefe vermag.

Die Zusammensetzung der Geschwindigkeitsverteilung aus den ^ beiden Komponenten, Axial- und Umfangsgeschwindigkeit, ist in der Figur 1 veranschaulicht. Hierin ist der Verlauf der Geschwindigkeitsverteilung in axialer Richtung mit c , der Verteilung in Umfangsgeschwindigkeit mit C₀^ und die Gesemtgeschwindigkeitsverteilung mit c bezeichnet.

Entsprechend^der Geschwindigkeitsverteilung, wie sie in der Figur 1 dargestellt ist, führt die in einem Wellrohr erzeugte Strömungsform in den Massenelementen einen Energiecinteil in axialer Richtung und einen in Umfangsrichtung als kinetische Energie mit sich. Der Energieanteil in axialer Richtung sei mit E und der in Umfangsrichtung mit E₀^(Rotationsenergie) bezeichnet. Die mit kinetischer Energie beladerien Masseteilchen sind gleichzeitig Träger der Wärmeenergie, so dnß durch einen möglichst großen Anteil von Rotationsenergie an der gesamten kinetischen Energie der Wärmetransport an die Wand stark intensiviert wird. Die bei parallel gewellten Rohren vorhandenen Totwasserzonen in den Wellen, die eine Verschlechterung der Wärmeübertragung an die umgebende Wand bedeuten, können sich wegen der vorhandenen Rotation des Kernstromes nicht mehr ausbilden, die Wärmeübertragung bei einer Ausbildung des Rohres nach der Erfindung wird damit wesentlich verbessert.

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In der Figμr 2 ist in einem Diagramm der Anteil der Rotationsenergie an der kinetischen Energie als Funktion des Wellensteigungswinkels J dargestellt, während in der Figur 3 der Anteil der Rotationsenergie an der kinetischen Energie in Abhängigkeit von der auf den Durchmesser bezogenen Wellentiefe veranschaulicht ist.

In Durchführung der Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Verhältnis von Wellentiefe, zum Abstand zweier Wellenkuppen zu 0,1 bis 0,2 zu wählen, sowie das Verhältnis von Wellentiefe zu Rohrimieiidurchmesser 0,03 bis 0_T3 betragen zu lassen. Auf diese Weise ist es möglich, Wellrohre auszubilden, die optimale Wärraeübertragungseigenschaften besitzen und somit speziell für Wärmetauscherzwecke geeignet sind.

Abgesehen von dem Einfluß der Wellentiefe, dem Wellenabstand sowie dem Innendurchmesser des gewellten Rohren, kann jede Wellrohrkontur beliebig oft variiert werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, bei konstanter Wellentiefe, unverändertem Wellenaußenabstand und gleichbleibendem Innendurchmesser für den insbesondere für Wärmetauscher günstigsten Bereich die durch die Wellkontur beschriebene.Fläche so zu wählen, daß sie gleich oder kleiner 2/3 der Fläche ist, die gebildet wird aus der Rohrkontur, T/2 und t, wobei T der Wellenabstand und t die Wellentiefe ist. Dieser Bereich ist der für die Wärmeübertragung günstigste, bei dem also die Wärmeübergangszahlen optimale Werte annehmen.

Die Erfindung sei anhand der in den Figuren k bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Für das in der Figur k dargestellte gewellte Metallrohr, da« beispielsweise aus einem zum Rohr geformten längsnahtgeschweißten und anschließend gewellten Metallband dünner

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Wanddicke bestehen kann, sind charakteristisch sein Wellenabstand T und seine Wellentiefe t. Der Wellensteigungswiri-

c τ

kel d = arc tan ··- beeinflußt die Größe der Rotation primär. Wählt man bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Verhältnis von Wellentiefe t zum Abstand zweier Wellenkuppen T so, daß es zwischen 0,01 bis 0,5» vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,2, liegt, und das Verhältnis von Wellentiefe t zum Rohriimendurchmesser d so, daß es O₁Ol bis 1,0, vorzugsweise 0,03 bis 0,3» beträgt, dann ergibt sich bei einem Wellensteigungswinkel ο vom 5 bis 20 eine Rohrleitung, bei der bei vergleichsweise geringsten Durchströmungsverlusten ein hoher Anteil an Rotationsenergie erzeugt wird. Damit kann die Wärmeübertragung gegenüber den bislang bekannten Konstruktionen wesentlich verbessert werden.

Eine solche Rohrleitung,- die den oben angegebenen Bedingungen genügt, ist in der Figur 5 dargestellt. Diese Rohrleitungen verbesserter Wärmeübertragung können vorteilhaft in mehreren Längen zusammengefaßt für Wärmeaustauschereinrichtungen, z. B. bei der Meerwasserentsalzung, Verwendung finden. Hierbei kann es oft vorteilhaft sein, die Rohre nicht über die gesamte Länge mit einer schraubenlinienförmigen Wellung zu versehen, sondern in bestimmten Abständen mit glatter Wandung auszubilden, um sie leicht in die Wärmetauscherböden einsetzen zu können.

Eine weitere Verbesserung eines nach der Erfindung ausgebildeten Wellrohres läßt sich dadurch erreichen, daß unabhängig von den oben angegebenen Bedingungen für Wellensteigungs· winkel, Wellentiefe und Welligkeit die durch die Wellrohrkontur beschriebene Innenfläche so gewählt wird, daß, wie

T aus Figur 6 ersichtlich, die Fläche, gebildet aus ~, t und der äuleren Rohrkontur etwa gleich oder kleiner dem Produkt aus 2/3 ' Wellenabstand und Wellentiefe ist,

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Claims

Cr.-Ing. Knut Knuder
Hannover

9. 11. 1971

Patentansprüche

Flexible Rohrleitung zur Fortleitung von Fluiden, insbesondere zur Wärmeübertragung, aus einem ganz oder teilweise gewellten Rohr mit schraubenlinienförmig verlaufender Wellung, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Wellentiefe t zum Abstand zweier Wellenkuppen T 0,01 bis 0,5i das Verhältnis von Wellentiefe t zum Rohrinnendurchmesser d 0,01 bis 1,0 und der Winkel <f der Wellensteigung 5 bis 20 beträgt.

2. Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis von Wellentiefe t zum Abstand zweier Wellenkuppen T 0,1 bis 0,2 beträgt.

3. Rohrleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß dr.s Verhältnis von Wellentiefe t zum Rohrinnendurchmesser d 0,03 bis 0,3 beträgt.

k. Rohrleitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Wellrohrkontur beschriebene Fläche gleich oder kleiner 2/3 dor Γ]ächo ist, die gebildet wird aus der Rohrkontur, der WeI-1 Cu, ti of ei t- und dem halben Abstand T zweier WeI1enkuppen,

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fr ,

5· Rohrleitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das gewellte Rohr aus einem zum Rohr geformten längsnahtgeschweißten und anschließend gewellten Metallband dünner Wanddicke besteht.

6. Verwendung einer flexiblen Rohrleitung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden für Wärmeaustauschereinrichtungen, z. B. für Meerwasserentsalzung.

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