DE2441652B2

DE2441652B2 - Rippenrohr-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE2441652B2
Application number: DE2441652A
Authority: DE
Inventors: Kunio Tokio Fujie; Hajime Shimizu Futawatari; Fumio Harada; Takehiko Yanagida
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-09-03
Filing date: 1974-08-30
Publication date: 1979-04-26
Also published as: JPS5049759A; US3916989A; JPS5716319B2; DE2441652A1; DE2441652C3; GB1471079A

Description

Die Erfindung betrifft einen Rippenrohr-Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Rippenrohr-Wärmetauschern sind viele Rippen aus z. B. Aluminiumblech mit entsprechender Oberfläche nebeneinander mit einem Abstand von mehreren Millimetern angeordnet, wobei durch die Rippen mehrere Wärmetauschrohre hindurchgesteckt und mit den Rippen durch Aufweiten der Rohre od. dgl. sicher verbunden sind. Außerhalb der Rippen können jeweils zwei der Wärmetauschrohre an ihren Enden durch U-Rohre miteinander zur Bildung meanderförmiger Kanäle verbunden sein. Durch die Rohre wird ein erstes Wärmetauschfluid geführt oder die Rohre werden anderweitig, beispielsweise mittels eines Heizdrahtes, erhitzt, und zwischen den Rippen wird ein anderes Wärmetauschfluid, wie z. B. Luft, parallel zu den Rippen hindurchgeführt, so daß Wärmetausch zwischen den beiden Wärmetauschfluiden durch die Rohrwände und die Rippen hindurch stattfindet. Dabei kann das Wärmetauschfluid in den Wärmetausch rohren wärmer oder kälter als das zwischen den Rippen strömende Wärmetauschfluid sein.

Der Wirkungsgrad des Wärmeüberganges hängt vom Wärmeübergang zwischen den Rippenflächen und der daran vorbeiströmenden Luft ab. Der zwischen den ebenen Rippen fließende Luftstrom bildet eine Strömungs-Grenzschicht, die umso dicker ist je größer der Abstand von der Vorderkante der Rippe wird. Der Wärmeübergang ist in dieser Grenzschicht erheblich kleiner als in einem Turbulenz-Bereich.

Weiter wird der Luftstrom nach Vorbeiströmen an den Wärmetauschrohren hinter diesem so verwirbelt, daß die Grenzschicht aufgebrochen wird, wobei hinter jedem der Wärmetauschrohre ein Stillstandsbereich entsteht, in dem infolge geringer Temperaturdifferenz zwischen der Rippenfläche und der Luft nur geringer Wärmeübergang stattfindet

Das wirksamste Mittel, den Wärmeübergang zwischen den Rippen einerseits und dem zwischen diesen

ίο fließenden Luftstrom andererseits zu verbessern, ist es, die Entstehung derartiger Grenzschichten zu verhindern.

Ein solcher Rippenrohr-Wärmetauscher mit dem eingangs genannten Aufbau ist bereits bekannt (vgl.

FR-PS 15 71879). Die Rippen weisen dabei mehrere Schlitze auf, die radial um die Wärmetauschrohre angeordnet sind und die zum Aufbrechen der Grenzschicht des Luftstroms dienen, um den Wärmeübergang zwischen den Rippenflächen und dem Luftstrom zu erhöhen. Weiter können die Schlitze auch im wesentlichen parallel zu Wärmeflußlinien angeordnet sein, ohne dabei die Wärmeübertragungen von den Rippen zu behindern. Jedoch sind bei dem bekannten Rippenrohr-Wärmetauscher zwischen benachbarten Wärmetauschrohren zwei Schlitze vorgesehen, durch die aber die Grenzschicht des Luftstroms in einem Bereich nicht unterbrochen werden kann, der zwischen sich gegenüberliegenden Enden der beiden Schlitze gebildet ist, weil diese Enden merkliche Hindernisse für den Luftstrom darstellen. Weiter bilden die vom jeweiligen Wärmetauschrohr entfernten aufrechten Wände ein Hindernis für den Luftstrom bzw. eine Störung des Luftstroms. Darüber hinaus sind auch Schlitze vorgesehen, die nicht parallel zum Luftstrom sind und die damit auch nicht zum Unterbrechen des Luftstroms wirken können, vielmehr wird durch derartige Schlitze der Widerstand gegenüber dem Luftstrom erhöht Außerdem ist bei derart ausgebildeten Rippen der Fertigungsaufwand erheblich, da zahlreiche Schlitze ausgebildet werdensollen.

Ein anderer bekannter Wärmetauscher (vgl. DE-OS 19 00 606) enthält Rippen senkrecht zum Wärmetauschrohr mit jalousieartigen Schlitzen in Flächenbereichen zwischen den Rohrreihen derart, daß die Schlitze parallel zu einer Längsachse zwischen benachbarten Rohrreihen und asymmetrisch zu den Mittellinien zwischen benachbarten Längsachsen sind. Durch eine derartige Anordnung werden die Luftstromlinien erheblich gestört.

Zur Verbesserung des Anströmverhaltens ist es bekannt, (vgl. DE-PS 4 96 733) in den Rippen V-förmige Erhöhungen und/oder Vertiefungen, um den Luftstrom in seiner Strömungsrichtung unter Drosselung umzulenken. Bei diesem Wärmetauscher wird also der Strömungswiderstand erhöht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen geringen Fertigungsaufwand erfordert und trotzdem günstige Wärmeübergangszahlen und Strömungsverhältnisse aufweist.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet.

Wesentlich bei der Erfindung ist, daß die Schlitze sich radial zwischen den benachbarten Wärmetauschrohren erstrecken, wobei die hochgezogenen Wände der Schlitze sich parallel zu den Luftstromlinien erstrecken,

dh, daß beim Anströmen das zwischen den Rippen strömende Wännetauschfluid alle Schlitze unter rechtem Winkel kreuzt, wobei dieses Wännetauschfluid im wesentlichen sinusförmig zwischen den Rippen an den Wärmetauschrohren entlangströmt Durch diese Anordnung der Schlitze wird außerdem cos Entstehen der für den Wännetausch schädlichen Grenzschichten verhindert. Da schließlich nur radial angeordnete Schlitze vorgesehen sind, ist auch die Fertigung s^hr vereinfacht.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine in einem Rippenrohr-Wärmetauscher gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung benutzte geschlitzte Rippe in Ansicht,

F i g. 2 den Schnitt IX-IX in F i g. 1,

Fig.3 den Schnitt X-X in Fig. 1 längs der Luftströmung,

F i g. 4 eine Ansicht einer Rippe mit Wärmefluß-Linien und Linien gleicher Temperaturen,

Fig.5 bis Fig.7 weitere Ausführungsformen von Rippen gemäß der Erfindung in Ansicht,

F i g. 8 perspektivisch im Teilschnitt einen erfindungsgemäßen Rippenrohr-Wärmetauscher mit Rippen gemäß Fig. 1.

Bei dem Hochleistungs-Rippenrohr-Wärmetauscher mit geschlitzten Rippen sind in jeder Rippe eine Vielzahl von Schlitzen so angeordnet, daß sie immer quer zur Richtung des Luftstromes sind und daher die Luftstromlinien schneiden und somit über einen weiten Bereich die Entstehung und Entwicklung von Grenzschichten aufhalten. Ferner sind die hochgezogenen Wandteile der Schlitze parallel zur Luftstromlinie so angeordnet, daß der Widerstand gegen den Luftstrom vermindert und die Wärmeübertragung nicht durch Abschneiden der Flußlinien der von den Wärmetauschrohren in die Rippen fließenden Wärme behindert wird.

Fig. 1 zeigt in Ansicht eine Rippe 11, die in einer ersten Ausführungsform eines Rippenrohr-Wärmetauschers verwendet wird, und F i g. 2 zeigt vergrößert den Schnitt IX-IX der Fig. 1, gesehen in Richtung der zugehörigen Pfeile. Wie ersichtlich, sind in jeder Rippe 11 eine Vielzahl von Löchern 12 für Wärmetauschrohre 13 angeordnet; jedes Loch 12 hat einen in gleicher Richtung hochgezogenen Rand 14 zur festen Verbindung mit den Wärmetauschrohren 13 und zum Festlegen des Rippenabstandes. Rings um jedes Loch 12 sind die rechteckigen Schlitze 15 angeordnet. Die beiden Endkanten jedes Schlitzes 15 sind, wie F i g. 2 zeigt, so hochgezogen, daß aufrechte Stirnwände 15" und eine mit den Stirnwänden 15" einstückig verbundene, zur Rippe 11 parallele Leiste 15'" gebildet ist. Eine Vielzahl solcher Rippen 11 sind nebeneinander angeordnet, und in die Löcher 12 der Rippen 11 sind die Wärmetauschrohre 13 eingesteckt (Fig.8). Die Wärmetauschrohre 13 sind mit den Rippen 11, nachdem sie in die Löcher 12 eingesteckt worden sind, durch Aufweiten der Wärmetauschrohre 13 fest verbunden. Jeder Schlitz 15 ist mehrere Millimeter, z. B. 2,5 mm, breit und z. B. etwa 10 mm und darüber lang. Der Anfang jeder aufrechten Stirnwand 15" sollte der Lochkante so nahe wie möglich sein. Die Schlitze 15 erstrecken sich zum Außenumfang jedes Loches 12. Die Schlitze 15, die sich an ihrem Ende zum Außenrand der Rippe 11 hin erstrecken, sollten nur so lang sein, daß ein geeigneter Abstand 17 zwischen dem Schlitzende und der Rippenkante verbleibt Die Schlitze 15, die zum benachbarten Loch 12 gerichtet sind, sind an ihren Enden mit solchen Stirnwänden 15" verbunden. Die Höhe der aufrechten Stirnwände 15" sollte vorzugsweise etwa die Hälfte des Abstandes der Rippen 11 voneinander betragen.

In dem beschriebenen Rippenrohr-Wärmetauscher fließt Luft zwischen den Rippen 11 auf den in F i g. 1 durch Pfeile gezeigten Wegen, d h. in Wellenlinien oder sinusförmig längs des Umfanges der einzelnen Wärmetauschrohre 13. Deshalb sind die Schlitze 15 im wesentlichen radial so angeordnet, daß die Schlitze 15 sich quer zu der durch die Pfeile angezeigten Richtung des Luftstromes erstrecken, wobei jeder einzelne Schlitz 15 die Luftstromlinien in einem weiten Bereich

is hindurchtreten lassen kann. D. h. die Schlitze 15 können, wenr» sie radial angeordnet sind immer quer zu den Luftstromlinien angeordnet werden. F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch eine Anzahl von Rippen 11 längs der Luftstromlinie und abgewickelt Wie F i g. 1 und 3 zeigen, fließt jeder Luftstrom mehrere Male durch die mehreren um jedes Wärmetauschrohr 13 herum angeordneten Schlitze 15, und jegliche laminare Grenzschicht, 18,19,20 die der zwischen den Rippen 11 fließende Luftstrom erzeugt, wird so viele Male, wie die Anzahl der vom Luftstrom passierten Schlitze 15 beträgt, so geschnitten oder unterbrochen, daß sich keine Grenzschicht des Luftstroms entwickeln kann. Daher sind die Kanten der Rippen (einschließlich der Vorderkanten 15a (Fig. 3) der Leisten 15'" und der Hinterkanten 11a der durch das Stanzen der Leisten 15'" gebildeten Schlitze 15 doppelt so oft wie die Schlitze 15 vorhanden und sind damit mehr nämlich doppelt so viele Bereiche hohen Wärmedurchgangs, in denen so gut wie keine Grenzschicht vorhanden ist, geschaffen und ist somit der Wärmeübergang insgesamt weit verbessert. Ferner bleiben die Grenzschichten 18, 19 und 20, die stromab tier Leisten-Vorderkanten 15a und der Schlitz-Hinterkanten 11a entstehen, im unterentwickelten Zustand, und auch eine Koinzidenz der Grenzschichten der sich zugewandten oberen und unteren Rippenflächen, wie das bei herkömmlichen Wärmetauschern auftritt wird verhindert, weshalb der Wärmeübergang in diesen Bereichen merklich verbessert ist.

Ferner sind, weil, wie oben beschrieben, alle Schlitze 15 mit hochgezogenen Wand-Teilen quer zum Luftstrom angeordnet sind, die aufrechten Stirnwände 15" der Schlitze 15 die üblicherweise rechtwinklig zur Längsrichtung der Schlitze 15 angeordnet sind parallel zum Luftstrom, so daß dieser nur in geringstem Maße behindert und somit der Luftwiderstand äußerst klein ist. Dieser Luftwiderstand wird sogar noch kleiner, wenn die aufrechten Stirnwände 15" innerhalb der laminaren Grenzschicht angeordnet sind, die an der Oberfläche der an den Lochrändern hochgezogenen Ränder 14 entsteht. Diese Anordnung der Schlitze 15 erweist sich auch als äußerst vorteilhaft für den Wärmeübergang von den Wärmetauschrohren 13 zu den Rippen 11. Beim Einarbeiten der Schlitze 15 in die Rippen 11 ist dafür zu sorgen, daß die Schlitze 15 nicht die Wärmeflußlinie durchschneiden, sondern radial zu den Löchern 12 für die Wärmetauschrohre 13 gerichtet sind Alle Schlitze 15 sind im wesentlichen radial zu den einzelnen Wärmetauschrohren 13 angeordnet, so daß sie im wesentlichen so quer zu den Luftstromlinien sind daß keiner von ihnen <Jie Wärmeflußlinien schneidet, weshalb der Wärmeübergang nicht behindert wird. F i g. 4 zeigt ein Beispiel der Temperaturverteilung auf

der Rippenoberfläche. In Fig.4 sind die die Löcher 12 umgebenden Linien Isothermen. Bei dieser Anordnung wird Wärme von den Wärmetauschrohren 13 zuerst an die hochgezogenen Ränder 14 der Löcher 12, an die die Wärmetauschrohre 13 angepreßt sind, und danach weiter längs Linien 21 (den Wärmeflußlinien), die die Isothermen rechtwinklig schneiden, übertragen. Daher werden die Schlitze 15, wenn sie so angeordnet sind, daß sie die Wärmeübertragung nicht stören, die Wärmeflußlinien nicht unterbrechen; d. h. sie sind im wesentlichen radial rings um die einzelnen Wärmetauschrohre 13 angeordnet.

F i g. 5 bis 7 zeigen weitere Ausführungsformen, bei denen der wirksamen Anordnung der Schlitze besondere Beachtung gewidmet ist, nämlich dem Ziel, die Anzahl der Schlitze zu verringern und dadurch die Herstellung zu vereinfachen. Bei diesen Ausführungsformen ist freilich der Wärmeübergang etwas schlechter als bei der vorbeschriebenen Ausführungsform, bei der die hochgezogenen Schlitze radial über der gesamten Oberfläche jeder Rippe angeordnet sind; aber die Herstellung der Rippen ist einfacher, da die Anzahl der vorgesehenen Schlitze verringert ist Fig.5 zeigt ein Beispiel, bei dem in jeder Rippe zwei Reihen 23, 24 von Wärmetauschrohren angeordnet sind. Wenn zwecks einfacherer Herstelllung die Anzahl der Schlitze verringert werden soll ist es vorteilhaft die Schlitze an den unmittelbar hinter den Wärmetauschrohren befindlichen Teilen, in denen der Fluß gestört ist, wegzulassen. Das heißt, es wird kein Schlitz im Bereich 25 zwischen den Rohrreihen 23 und 24 angeordnet, und Schlitze 22 werden radial nur im Bereich von etwa ISO⁰ an derjenigen Seite der Rohre, die den Außenkanten 11' der Rippe abgewandt ist, angeordnet. Obwohl die Anzahl der Schlitze 22 verringert ist, ergibt diese Anordnung doch die erstrebte Wärmeaustausch-Wirkung.

F i g. 6 zeigt ein anderes Beispiel, bei dem die Wärmetauschrohre in drei Reihen 24', 26 und 27 angeordnet sind. Selbstverständlich können zwecks wirksamer Wärmeübertragung die hochgezogenen Schlitze radial um die Wärmetauschrohre herum auf der ganzen Breite jeder Rippe 30 wie bei der Ausführungsform nach F i g. 1 angeordnet werden. Bei diesem Beispiel ist jedoch die Anzahl der Schlitze 28, 29 aus demselben Grund, der oben dargelegt worden ist, verringert Das heißt: Es ist in dem hinter jedem Rohr gelegenen Teil, weil dort Turbulenz auftreten kann, wie beim Beispiel der F i g. 5, kein Schlitz angeordnet und für die seitlichen Rohrreihen 24' und 27 sind die Schlitze 28 radial im Bereich von etwa 180° nur an der zur Rippenkante zugewandten Seite angeordnet, während für die mittlere Rohrreihe 26 radiale Schlitze 29 nur in Richtung der Rohrreihe 26 vorhanden sind. Mit dieser Anordnung läßt sich die gewünschte Wirkung trotz der kleineren Schlitze-Anzahl erreichen.

Fig.7 zeigt eine noch andere Abwandlung der Ausführung, bei der die Wärmetauschrohre in drei Reihen 37, 38 und 39 angeordnet sind. Zu jedem der Wärmetauscherrohre in den seitlichen Reihen 37 und 3! sind die hochgezogenen Schlitze 40 — diese sind läng: der Wärmeflußlinie wie diejenigen der Ausführungs form nach F i g. 4 gekrümmt — innerhalb des Bereiche: von etwa 60° zum Rippenrand hin angeordnet und füi die Rohre der Mittelreihe 38 sind die radialen Schlitze 41 nur in der Richtung der Reihe 38 angeordnet Dk gekrümmten Schlitze 40 sind natürlich quer zu der Luftstromlinien E-E', und die aufrechten Stirnwände 40

to an beiden Enden jedes Schlitzes 40 sind parallel zi diesen Luftstromlinien E-f'angeordnet Auch mit diesel Schlitze-Anordnung kann die erstrebte Wirkung er reicht werden.

Der in dieser Beschreibung gebrauchte Ausdruct

is »wesentlich radial« bezieht sich nicht nur auf di< Anordnung von Schlitzen 15,22,28,29,40,4!, die radia von der Mitte jedes Wärmetauschrohres 13 ausgehen sondern auch auf die Anordnung von Schlitzen, weicht exzentrisch vom Außenumfang der einzelnen Rohn ausgehen, und auch auf eine kurvenförmige oder sons wie geformte Anordnung längs der Wärmeflußlinie, wi< in F i g. 7 gezeigt Er schließt ebenfalls die Gestaltung von Schlitzen ein, die vom ganzen Umfangsbereich dei einzelnen Rohre, d.h. in allen Richtungen vom Rohi ausgehen, sowie auch die Anordnung von Schlitzen welche radial innerhalb des Bereiches von 180° wie be der Bauart der F i g. 5, 6 oder innerhalb des Bereiche! von 60° wie bei der Ausführungsform der Fig.) ausgehen, und auch auf die Anordnung von Schlitzen die nur in beschränkter Richtung, z. B. nur ir Durchmesser-Richtung wie bei der Ausführungsforrr der F i g. 6 angeordnet sind.

Ferner können die Schlitze, anstatt daß sie wie bei der oben beschriebenen Ausfühningsformen durch Hoch biegen geschnittener Teile der einzelnen Ripper hergestellt werden, durch Stanzen oder Lochen erzeug werden, was die Herstellung erleichtert Dann werder diejenigen den Rippenkanten benachbarten Rippenbe reiche, in denen fast keine Grenzschicht vorhanden isi

(z. B. an den Hinterkanten 11a der Schütze 15 und ar den Vorderkanten 15a der Leisten 15'", wie in F i g. I gezeigt) in gleicher Anzahl wie die Schlitze geschaffen und daher ist die wärmeübertragende Fläche entsprechend verringert, also die übertragene Wärmemenge etwas geringer als bei den Ausführungsformen, be denen die Schlitze mit hochgezogenen Wandteiler versehen sind; aber dann ist der Luftwiderstand geringer und auch die Herstellung der Rippen sehr viei einfacher.

Bei der oben gegebenen Beschreibung der Ausführungsformen war angenommen, daß Wärme von dem m den Wännetauschrohren befindlichen wärmetauscher!- den Fluid an das zwischen den Rippen fließende andere Fluid übertragen wird; aber wenn dieses andere Fluid heißer als das in den Wännetauschrohren befindliche ist ist die Richtung des Wärmeübergangs umgekehrt — aber die Arbeitsweise und die Wirkung der Anordnung ist die gleiche.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rippenrohr-Wärmetauscher mit mehreren nebeneinander angeordneten Rippen und mehreren durch die Rippen hindurchgesteckten und mit ihnen fest verbundenen Wärmetauschrohren, die in Reihen, jeweils um den halben Rohrabstand versetzt, angeordnet sind, und mit mehreren radial um jedes Wärmetauschrohr angeordneten jalousieartigen Schlitzen mit aufrechten Stirnwänden und sie verbindenden Leisten, wobei jede Stirnwand im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des zwischen den Rippen strömenden Fluids ausgebildet ist, und jede Leiste im wesentlichen parallel zu und im wesentlichen zwischen nebeneinander angeordneten Rippen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schlitz (15) um eines der Wärmetauschrohre (13) durchgehend auf einer Linie verläuft, die durch die Mitte des einen Wärmetauschrohres (13) und der benachbarten Wärmetauschrohre (13) geht

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (11'; 30) zwischen mindestens zwei Reihen von Wärmetauschern (23, 24; 24', 26,27) glatt ausgebildet sind (F i g. 5; 6).

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Randbereichen der Rippen (U; 11'; 30) die Schlitze (15; 22; 28; 40) auf den gedachten Verlängerungen der Linien verlaufen (F i g. 7).

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (40, 40') im Randbereich leicht gekrümmt ausgeführt sind (Fig. 7).