DE2903079C2

DE2903079C2 - Wärmeaustauscherrohr für einen Sprühwasser-Plattenverdampfer und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2903079C2
Application number: DE2903079A
Authority: DE
Inventors: Takayoshi Otsu Shiga Asami
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1978-01-27
Filing date: 1979-01-26
Publication date: 1983-01-05
Also published as: US4296539A; US4367791A; JPS54101539A; DE2903079A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeaustauscherrohr für einen Sprühwasser-Plattenverdampfer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Bei einem Sprühwasser-Verdampfer für Flüssiggas brw. für verflüssigtes Erdgas wird dieses durch das Innere von Wärmeaustauscherrohren nach oben geleitet während ein Heizmittel, beispielsweise Seewasser bzw. Industrieabwasser gegen die Außenseite der Wärmeaustauscherrohre gesprüht wird bzw. über diese herabrieselt so daß das Flüssiggas durch die Wärmeaustauscherrohre himiirch erwärmt und dadurch vergast bzw. verdampft wird.

Der Wärmeaustausch zwischen Stoffen, zwischen denen eine große Temperaturdifferenz herrscht beispielsweise zwischen einem verflüssigten Erdgas, das eine Temperatur von beispielsweise — 150⁰C bis -200⁰C hat und Wasser, das eine Temperatur von beispielsweise 5° C bis 20°C aufweist unterscheidet sich erheblich vom normalen Wärmeaustausch. Selbst dann, wenn der Wärmeaustausch unter Siedebedingungen erfolgt die in der Regel für sehr hohe Wärmeaustauschleistungen sorgen, kann es unter diesen Umständen aufgrund von Filmsiedeerscheinun^en zu einer Verringerung der Wärmeaustauschleistung kommen, wodurch das Ziel hoher Wärmeaustausch leistung nicht erreicht wird.

Zur Erläuterung der beim Sprühwasser-Plattenverdampfer auftretenden Wärmeaustauschvorgänge wird kurz auf die Fig. 1 und 2 eingegangen. Fig. 1 zeigt schematisch einen Wärmeaustausch bei Zweiphasenströmung, wobei die zwei Phasen Gas und Flüssigkeit sind. Diese Figur zeigt den Fall einer günstigen Wärmeaustauschleistung. Ein zu vergasendes Flüssiggas AL wird in das Innere eines Wärmeaustauscherrohres I eingeleitet, und Wasser B als Heizmittel wird auf der Außenseite des Wärmeaustauscherrohrs / entlanggeführt wodurch ein Wärmeaustausch zwischen dem Flüssiggas und dem Wasser hervorgerufen wird. In der dargestellten Anordnung bildet das Rüssiggas AL im Wärmeaustauscherrohr /normalerweise eine Zweiphasenströmung aus Dampf und Flüssigkeit, wobei das durch den Wärmeaustausch erzeugte Gas AG sich allmählich von der Rohrwand entfernt und im Zentralbereich des Rohres aufsteigt, während das Flüssiggas AL an der Gas-Flüssigkeits-Grenziläehe nach oben und gegen die Rohrwand gezogen wird, so daß sich für das Flüssiggas AL eine in etwa dem Buchstaben »V« entsprechende Querschnittsform ergibt, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist. Da in diesem Fall ein ausreichender Kontakt zwischen dem Wärmeaustauscherrohr und dem Flüssiggas AL vorliegt, wird hoher

Wärmeaustausch uns daher eine -»usreichende Verdampfung sichergestellt

Wenn jedoch das Verdampfungsgut ein Material mit einem sehr niedrigen Siedepunkt ist, wie beispielsweise verflüssigtes Erdgas, stellt sich nicht der in F i g, 1 α dargestellte Zweiphasen-Zustand ein, da zwischen dem Verdampfungsgut und dem Heizmittel eine extrem große Temperaturdifferenz herrscht Vielmehr kommt es zum sogenannten Filmsieden, was eine starke Verringerung der Wärmeaustauschleistung zur Folge hat.

T>a Wärmeaustausch beim Filmsieden ist schematisch in Fig.2 dargestellt Das Flüssiggas AL wird schnell vergast und siedet unter Bildung eines Gasfilms an der Rohrwand, während das noch flüssige Flüssiggas AL in der Rohrmitte in Form eines Kegels innerhalb des Wärmeaustauscherrohrs 1 verbleibt Da die Kontaktfläche zwischen dem Flüssiggas AL und dem Wärmeaustauscher rohr 1 zu klein ist, um ausreichenden Wärmeaustausch zu ermöglichen, ist der Wärmeaustausch erheblich beeinträchtigt

Zur Sicberstellung einer großen Wärmeübertragungsleistung ist es aus der FR 1 505 482 bekannt ein Wärmeaustauscherrohr gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß der Querschnitt der sich vom Rohrkörper weg erstreckenden Flanschelemente zur Ansatzwurzel zu immer größer wird. Dies erfolgt deshalb, um den Wärmefluß in die Flanschelemente zu optimieren.

Dieses bekannte Wärmeaustauscherrohr hat kein spezielles Einsatz- bzw. Anwendungsgebiet

Wenn somit dieses Wärmeaustauscherrohr für das Verdampfen von Flüssiggas verwendet wird, treten folgende Nachteile auf:

Aufgrund des äußerst großen Temperaturunterschieds zwischen den wärmeaustauschenden Medien kann es zu Filmsiedeerscheinungen und damit zu einer Verringerung der Wärmeaustauschleistung zwischen den Medien kommen.

Dadurch wird das Temperaturprofil auf der Außenseite des V ärmeaustauscherrohres und insbesondere der Flanschelemente instabil, die aufgrund der notwendigerweise durch sie hindurch erfolgenden Wärmeleitung dieser Wärmeübertragungsinstabilität noch in größerem Maße ausgesetzt sind. Dadurch kann es aber — wenn die Strömung des wärmeabgebenden Mediums darüber hinaus nicht gleichmäßig geführt ist — zu Vereisungserscheinungen des Wärmeaustauscherrohres bzw. der Wärmeaustauscherrohreinheit kommen. Dies hat den Ausfall des gesamten Wärmeaustauschers zur Folge, so daß dieser Gesichtspunkt bei der Auslegung des Flüssiggasverdampfers von entscheidender Bedeutung ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeaustauscherrohr gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, bei dem die Filmsiedeerscheinungen und eine Vereisung des Wärmeaustauscherrohres vermieden werden können, so daß die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des Wärmeaustauschers verbessert wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung des Wärmeaustauscherrohrs bzw. des aus mehreren Wärmeaustauscherrohren bestehenden Sprühwasser-Verdampfers zu schaffen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die irr. ?atentanspruch 9 angegebenen

Merkmale gelöst

Die Formgebung der Flanscheiemente und insbesondere die Formgebung aes Wurzetobschnitts der Flanscheiemente bei vorgegebener Ausgestaltung dir Rippen des Wärmeaustauscherrohres ist im Hinblick auf die oben angegebenen Aufgabenstellung der weiteren erfindungsgernäßen Maßnahme, die in der Eingliederung des schraubenförmigen Rippenelements zum Ausdruck kommt, angepaßt, d.h. im Sinne der Aufgabenstellung optimiert

Durch die Rippenelemente wird zunächst aufgrund der sich dadurch ändernden Reynoldszahlen and damit größerer Wärmeübergangskoeffizienten der Wärmedurchgang durch die Rohrwandung angehoben. Die Rippenelemente stehen ferner durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen in engem Kontakt mit der Rohrwandung, so daß ein weiterer Wärmeanteil durch Wärmeleitung von der Rohrwandung abgeführt werden kann. Diese gegenüber dem Stand der Technik deutlich größere Wärmemenge muß — um Vereisung auf der Außenseite des Wärmeaustauscherrohres zu verhindern — nun von der Rohraußenwan«; gleichmäßig und wirksam vom wärmeabgebenden Mediu.n übernommen werden. Die Flanscheiemente die in erster Linie die Funktion haben, die Voraussetzungen für ein Verbinden der Wärmeaustauscher-Einheit zu schaffen und erst in zweite« Linie zur Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung beitragen, müssen in diesen Optimierungsprozeß einbezogen werden. Die Flanschelemente werden deshalb erfindungsgemäß plattenförmig ausgebildet, d.h. mit planparallelen Seitenflächen versehen, die direkt in den Rohrkörper übergehen, so daß sie grundsätzlich die Möglichkeit schaffen, einen großen Abschnitt des Rohraußenumfangs für den direkten Wärmeübergang über die Rohrwandung zur Verfügung zu stellen. Die Aufgabe, auf der Oberfläche des Wärmeaustauscherrohres einen gleichmäßigeren wärmeübertragenden Film zu schaffen, durch den die wirksame Wärmeübertragungsfläche angehoben wird, wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Wurzelabschnitts der Flanschabschnitte gelöst Der Wi'rzelabschnitt der erfindungsgemäß rippenlos gestaltet ist. sorgt dafür, daß die äußere wärmeabgebende Fluidströmung ungehindert und über den gesamten Umfang, d.h. auch an diesen kritische! Stellen, gleichmäßig an der Außenwand der Wärmeaustauscherrohreinheit herabrieseln kann. Eine Komponente der Vereisungsgefahr ist damit ausgeschaltet. Ferner ergibt sich durch die Aussparung der Rippung im Wurzelabschnitt eine über die gesamte Oberfläche betrachtet gleichmäßigere Rippung, so daß für den Wärmeübergang vom Rieseifilm zum Wärmeaustauscherrohr an allen Stellen der Oberfläche des Wänr.jaustauscherrohres gleiche Verhältnisse bzw. Randbedingungen vorliegen. Auf diese Weise kann das Temperaturprofil auf der Außenseite vergleich mäßigt werden, wodurch eine weitere Voraussetzung für die Herabsetzung der Vereisungsgefahr gegeben ist

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Wurzelabschnitts der Fl-nschelemente ergibt sich ferner der zusätzliche Vorteil, daß ein größerer Umfangsbereich des Wärmeaustauscherrohres über die relativ dünne Rohrwand und direkt über die Rohrrirpen mit dem wärmeabgebenden Medium in Wärmeaustausch steht Der relativ dicke Wurzelabschnitt im Stand der Technik engte die ien, zur S.iigerurg der Wärmeübertragungsleistung erheblich beitragenden Bereich zwangsläufig ein, so daß dort im Bereich des Wurzelabschnitts

aufgrund des höheren Wärmeleitungsanteils durch den Wurzelabschnitt des Flanschelements hindurch ein Wärmeübertragungsverlust und damit ein verringerter Wärmeaustausch in Kauf genommen werden mußte. Erfindungsgemäß wird jedoch der das Rohr direkt umgebende Bereich mit größter Wärmeaustauschleistung so weit wie möglich ausgedehnt Da im Bereich des Rohres aufgrund der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen der Wärmeübergang erheblich vergrößert wird, muß in diesem Bereich auch mehr Wärme zugeführt werden. Der Ansatz des Flanschelements am Rohrkörper trägt dieser Anforderung Rechnung, wobei die weitere Anforderung bezüglich des gleichmäßigen Temperaturprofils über der gesamten Oberfläche der Wärmeaustauschereinheit im Auge behalten wird. Die Rippung des Anmeldungsgegenstands ist somit — im Unterschied zum Stand der Technik — im Hinblick auf die Aufgabenstellung optimiert.

Die FR-FS i 503 4S2 Zeig; zwar Ein Wärmcsustsu scherrohr mit dem Erfindungsgegenstand in etwa ähnlichen Außenkonturen; dieses bekannte Wärmeaustauscherrohr ist jedoch durch die Ausgestaltung der Wärmeübertragungsflächen und aufgrund der anderen Strömungsführung im Inneren des Wärmeaustauscherrohres für das beim Anmeldungsgegenstand vorliegende Anwendungsgebiet ungeeignet. Es läßt sich dieser Patentschrift auch kein Hinweis entnehmen, der auf ein dem Erfindungsgegenstand ähnliches Anwendungsgebiet des Wärmeaustauschers hindeuten könnte. Die neuen Merkmale des Erfindungsgegenstandes sind damit durch das allgemeine Fachwissen und durch die FR-PS 1 505 482 nicht nahegelegt.

Zwar zeigt die US-PS 3 394 736 ein Wärmeaustauscherrohr, in dem ein schraubenförmiges Rippenelement befestigt ist, wie es in einem Merkmal des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 angegeben ist. Dieses bekannte Wärmeaustauscherrohr zeigt jedoch lediglich Maßnahmen, durch die die Wärmeübertragung auf der Innenseite des Wärmeaustauscherrohres bee nflußt werden kann. Das Problem der bei der spezifischen Kombination der wärmeaustauschenden Medien gemäß dem Erfindungsgegenstand im Hinblick auf die unter allen Umständen zu verhindernde Vereisungügefahr der Außenseite des Wärmetauschers getroffenen Optimierung des Außenprofils des Wärmeaustauscherrohres ist in dieser Entgegenhaltung an keiner Stelle angesprochen, so daß die Erfindung auch durch eine Zusammenschau dieser Entgegenhaltung mit dem übrigen Stand der Technik nicht nahegelegt werden konnte.

Im Hinblick auf die Verwirbelung des verflüssigten Erdgases, die Druckverluste und Herstellungsgesichtspunkte hat das innere Rippenelement geeigneterweise 6 bis 10 Rippen und am zweckmäßigsten 8 Rippen. Wenn die Anzahl der Rippen kleiner als 3 wird, ergibt sich keine ausieichende Verwirbelung mehr, so daß kein wirksamer Zweiphas^nströmungs-Wärmeaustausch erfolgt. Wenn die Anzahl der Rippen größer als 10 ist wird die Herstellung des Rippenelementes schwierig, und außerdem führt der erhöhte Strömungswiderstand zu einem nicht vernachlässigbaren Druckverlust

Die Dicke der Rippen liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 1,0 und 13 mm. Wenn die Rippen zu dünn sind, ist die Berührungsfläche mit der Innenseite des Rohrkörpers ta klein, um einen ausreichenden Wärmeübergang zwischen dem inneren Rippenelement und der Außenseite des Rohrkörpers zu gewährleisten.

Ferner ist bei zu dünnen Rippen auch die mechanische Festigkeit des Rippenelementes zu gering. Wenn die Rippen des inneren Rippenelementes zu dick sind, ist die freie Querschnittsfläche der Strömungskanäle für das Flüssiggas zu gering und ist der Strömungswiderstand zu hoch. Da ein Wärmeaustauscherrohr für einen Verdampfer für verflüssigtes Erdgas der hier betrachteten Art bisweilen Drücken bis zu 100 kp/cm² ausgesetzt ist, ist die Druckfestigkeit ein bei der Konstruktion zu berücksichtigender wesentlicher Gesichtspunkt. Ferner muß die Wärmebilanz zwischen der Querschnittsfläche der Strömung und der verfügbaren Oberfläche berücksichtigt werden. Da wie nachstehend noch erläutert wird, das Wärmeaustauscherrohr im allgemeinen am günstigsten durch Strangpressen einer Aluminiumlegierung hergestellt wird, müssen ferner die durch das Herstellungsverfahren vorgegebenen Faktoren berücksichtigt werden. Diese bestimmen, daß der Innendurchmesser des Rohres im Bereich zwischen ungefähr 10 cm und etwas rnshr ä!s 20 err¹ lifigen soll.

Im Hinblick auf die vorstehend erörterten Bedingungen und Gesichtspunkte unterliegt das innere Rippenelement gemäß der Erfindung verhältnismäßig stark einschränkenden Konstruktionsbedingungen. Das innere Rippenelement muß eine solche Form und Größe haben,

(1) daß das Rippenelement gut zur Herstellung durch Sf ingpressen einer Aluminiumlegierung geeignet ist,

(2) daß ausreichende Berührung zwischen dem Rippenelement und dem Rohrkörper sichergestellt ist,

(3) daß die Rippen nicht zu leicht beschädigt werden können und

(4) daß die grundlegende Anforderung an einen Wärmeaustauscher, nämlich Gleichgewicht zwischen Strömungswideiitand und Druckverlust, erfüllt ist.

Außer den genannten Bedingungen hat auch die Beziehung zwischen dem Außendurchmesser des inneren, schraubenlinienförmigen Rippenelementes und der Steigung der Schraubenlinie des Rippenelementes erheblichen Einfluß auf die Verwirbelungswirkung und den Strömungswiderstand. Versuche haben ergeben, daß günstigste Ergebnisse erzielt werden, wenn das Verhältnis L/D im Bereich zwischen 5 und 15, insbesondere im Bereich zwischen 9 und 10 liegt, wobei D den Außendurchmesser des inneren Rippenelementes und L die Steigung seiner Schraubenlinie bezeichnet Wenn L/D zu klein ist ist der Strömungswiderstand sehr hoch; außerdem ist dadurch die Herstellu.ig des inneren Rippenelementes erschwert Wenn UD zu groß ist ist die Verwirbelungswirkung zu gering; ferner wird es schwierig, für hinreichenden Zweiphasenströmungs-Wärmeübergang zu sorgen.

Wie sich aus dem vorstehenden und aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt ist das innere Rippenelemem erheblichen Druckspannungen (axial) ausgesetzt Allein schon um ausreichende Festigkeit gegenüber dieser Beanspruchung sicherzustellen, sollte die Anzahl und die Dicke der Rippen in vorstehend angegebener Weise bemessen sein.

Wenn die Verhinderung des Gefrierens, Bildung des Wasserfilms und die Ablagerung von Verunreinigungen und Kesselstein berücksichtigt werden, ergibt sich auch eine obere Grenze für die Anzahl der Außen-Längs-Rippen 6. Innerhalb der oben angegebenen Abmes-

sungsgrenzwerte des Wärmeaustauscherrohres werden günstigste Ergebnisse erzielt, wenn die äußere Oberfläche des eigentlichen Rohrkörpers mit 10 bis 20 Außen-Längs-Rippen versehen ist. Wenn die Anzahl der Außenrippef; noch kleiner ist, werden die dadurch gebildeten Rillen zwangsläufig enger, was die Ausbildung eines gleichmäßigen Wasserfilms behindert und die Ablagerung von Verunreinigungen und Kesselstein fördr>;. Wenn die Anzahl der Außenrippen zu klein ist, wird ktine ausreichende Vergrößerung der wirksamen Wärmeübergangsfläche erreicht.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung des Wärmeaustauscherrohres ist Gegenstand des Unteranspruchs 9. Da der Rohrkörper mit den auf gegenüberliegenden Seiten angeordneten zwei Flanschelementen geradlinig ist, kann er auf einfache Weise nach herkömmlichen Strangpreßverfahren hergestellt werden. Wenn die Strangpresse mit einer Strangpreßform versehen ist, die geeignete Form, Abmessungen und Nutsn hat, können auch di? ' ängsripnen in einem einzigen Strangpreßvorgang ausgebildet werden. Ferner ist es möglich, nach dem Mehrdornverfahren zu arbeiten, wobei dann in einem Strangpreßvorgang gleichzeitig mehrere Rohrkörper hergestellt werden.

Da das innere Rippenelement ein Schraubenflächengebilde aus inneren Rippen bildet, erfordert dessen Herstellung besondere Maßnahmen. Zahlreiche Herstellungsversuche haben gezeigt, daß es am praktischsten ist, in der Weise vorzugehen, daß auch das Rippenelement durch Strangpressen hergestellt wird.

In der Regel wird der Rohrkörper zusammen mit zwe plattenförmigen Flanschelementen als ein zusammenhängendes Bauteil durch Strangpressen einer Aluminiumlegierung hergestellt; wenn die Außenrippen im wesentlichen dreieckig ausgebildet sind, wie dies nachstehend noch dargelegt wird, kann das gewünschte Produkt verhältnismäßig einfach stranggepreßt werden mit einem Außenstrangpreßwerkzeug, das im wesentlichen dreieckige Nuten bzw. Rillen hat.

Das im Patentanspruch 9 beschriebene Verfahren zur Herstellung des Wärmeaustauscherrohres ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil es damit gelingt, selbst bei der Herstellung langer Wärmeaustauscherrohre die Rippenelemente bequem einzusetzen und relativ schonend aber dennoch äußerst intensiv mit der Innenoberfläche des Rohrkörpers zu verbinden.

Für die Herstellung des schraubenförmigen Rippenelements bieten sich insbesondere die in Unteranspruch 10 und 11 gekennzeichneten Verfahren an.

Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigen

F i g. 1 und 2 schematische Darstellungen zur Veranschaulichung der Vorgänge beim Wärmeaustausch bei Zweiphasenströmung mit bzw. ohne Filmsiedeerscheinungen,

F i g. 3 eine Teilansicht eines inneren, schraubenförmigen Rippenelementes für das Wärmeaustauscherrohr gemäß F i g. 4;

F i g. 4 einen Horizontalschnitt durch ein funktionsfä- μ hig aufgebautes Wärmeaustauscherrohr;

F i g. 5 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung des schraubenförmigen inneren Rippenelementes;

Fig.6 eine perspektivische Teilansicht einer aus mehreren Wärmeaustauscherrohren bestehenden Wärmeaustauscherrohrbaugruppe, wobei zur Vereinfachung der Darstellung die Längsrippen weggelassen wurden;

Fig. 7 und 8 schematische Schnittdarstellungen zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung eines Preßsitzes zwischen dem inneren Rippenelement und dem Rohrkörper; und

F i g. 9 eine perspektivische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform der Wärmeaustauscherrohrbaugruppe, wiederum bei Vereinfachung der Darstellung der Längsrippen.

Zunächst wird auf F i g. 4 eingegangen, die ein Ausführungsbeispiel des Wärmeaustauscherrohres 1 zeigt. Das Wärmeaustauscherrohr 1 umfaßt einen Rohrkörper 3 mit zwei auf entgegengesetzten Seiten angeordneten, plattenförmigen Flanschelementen 2, nämlich den Flanschelementen 2a und 2b. Die plattenförmigen Flanschelemente 2a und 2b stehen jeweils von der Außenwand des Rohrkörpers vor und verlaufen radial bezüglich der Längsachse des Rohrkörpers und erstrecken sich in Längsrichtung entlang dieser Längsachse. Ferner umfaßt das Wärmeaustauscherrohr ein inneres Rippenelement 4. Das innere Rippenelement weist zumindest drei Rippen auf. Beim in F i g. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das Rippenelement 4 acht Rippen 5s bis 5Λ. Die äußeren Ränder der Rippen 5a bis 5Λ stehen in Preßsitzberührung mit der Innenfläche des· Rohrkörpers 3. Das in Fig.4 dargestellte Ausführungsbeispiel des Wärmeaustauscherrohres 1 hat lediglich einen Rohrkörper. Wie in den F i g. 6 und 9 gezeigt ist, können mehrere Wärmeaustauscherrohre zu einer Einheit zusammengefaßt sein, wobei die plattenförmigen Flanschelemente 2 der einzelnen Rohrkörper 3 in einer gemeinsamen Ebene liegen und alle Wärmeaustauscherrohre über die Flanschelemente 2 zu einer zusammenhängenden Einheit verbunden sind, die so beispielsweise durch Strangpressen hergestellt wird.

Wie im folgenden noch ausführlicher erläutert werden wird, ist es zweckmäßig, den Rohrkörper 3 durch Strangpressen einer Aluminiumlegierung herzustellen. Da das Strangpressen von Erzeugnissen mit mehreren öffnungen zwangsläufig verhältnismäßig schwierig ist, bestimmt dieses Kriterium allein die Wahl zwischen einem Erzeugnis mit mehreren öffnungen und einem Erzeugnis mit einer einzigen Öffnung. Für Verdampfer werden diese Wärmeaustauscherrohre oder Wärmeaustauscherrohrbaugruppen in der Weise verwendet, daß mehrere derselben miteinander so verbunden werden, daß ihre plattenförmigen Flanschelemente 2a und 2b in einer gemeinsamen Ebene liegen und daß die seitlichen Ränder der benachbarten Flanschelemente 2a und 2b parallel zueinander verlaufend aneinanderstoßen (siehe Fig.6). Vorzugsweise werden der Rohrkörper 3, die Flanschelemente 2a und 2b sowie das innere Rippenelement 4, die das Wärmeaustauscherrohr 1 bilden, aus einer Aluminiumlegierung mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt Eine Baugruppe aus mehreren Wärmeaustauscherrohren 1 bildet eine Plattenverdampfereinheit Als Heizmittel dienendes Wasser oder Seewasser wird gegen die äußere Oberfläche einer solchen Einheit gesprüht während verflüssigtes Erdgas, das verdampft bzw. vergast werden soll, den Wärmeaustauscherrohren von unten zugeführt wird, so daß das Flüssiggas während seiner Aufwärtsströmung durch Wärmeaustausch mit dem Heizmittel vergast wird.

Wie F i g. 3 zeigt bildet das in jeden Rohrkörper 3 eingepaßte innere Rippenelement 4 schraubenlinienförmige Kanäle für das verflüssigte Erdgas. Dabei ist die

Aufwärtsströmung des verflüssigten Erdgases turbulent, wobei die Turbulenzen durch die Schraubenflächenform des inneren Rippenelementes 4 erzeugt werden.

Diese Ausbildung verhindert die Entstehung eines Flüssigkeitskegels, wie er in F i g. 2 dargestellt ist, und die daraus resultierende Verschlechterung des Wärmeaustausches. Ferner werden die von den inneren Rippenelementen geführten Flüssigkeitsströme ständig gegen die Innenseite des Rohrkörpers 3 gezwungen, während sie im Wärmeaustauscherrohr nach oben jteigen. Beim dargestellten Wärmeaustauscherrohr sind die Schraubenlinien bzw. äußeren Ränder der Rippen 5a bis 5h, die das innere Rippenelement 4 bilden, gegen die Innenseite des Rohrkörpers 3 gepreßt; so wird die Wärme von der Außenseite des Rohrkörpers 3 nicht nur zu dessen Innenseite geleitet, sondern auch durch die Ränder der Rippen zum Rippenelement 4. Da die wirksame Wärmeübergangsfläche des Wärmeaustauscherrohres demzufolge die Gesamtsumme aus der Oberfläche der innenscitc des Rchrkcrpers 3 und allen Oberflächen auf den Rückseiten und Vorderseiten der Rippen 5a bis 5h ist, wird eine beträchtliche Erhöhung der Wärmeaustauschleistung erreicht.

Bei dem in F i g. 4 dargestellten Wärmeaustauscherrohr sind die plattenförmigen Flanschelemente 2a und Ib sowie der Rohrkörper 3 mit zahlreichen Außenrippen 6 versehen, die parallel zur Längsachse des Rohrkörpers verlaufen und die äußere wirksame Wärmeübergangsfläche vergrößern. Bei dieser Ausführungsform führen die Ausnutzung der Vorderseiten und Rückseiten der Rippen, die das innere Rippenelement 4 bilden, als Wärmeübergangsflächen und die Außenrippen 6 auf den äußeren Oberflächen des Rohrkörpers 3 und der plattenförmigen Flanschelemente 2a und 2b, die ebenfalls die wirksame Wärmeübergangsfläche vergrö-Bern, gemeinsam zu hervorragender Wärmeaustauschleistung. Die innere Oberfläche des Rohrkörpers ist in Preßsitzberührung mit dem inneren Rippenelement gehalten.

Die spezielle Form und die Anzahl der Außenrippen ist nicht von besonders entscheidender Bedeutung. Unter Berücksichtigung der Formbarkeit der Außenrippen 6 und der angestrebten Wärmeaustauschleitung ist es jedoch am günstigsten, wenn jede Außenrippe einen im wesentlichen dreieckigen Querschnitt hat, wobei die « freien Ecken abgerundet sind. Am zweckmäßigsten sind Querschnitte in Form eines im wesentlichen gleichseitigen Dreiecks. Die Ausdrücke »im wesentlichen dreieckig« und »im wesentlichen gleichseitiges Dreieck« sollen nicht nur ein Dreieck im strengen geometrischen Sinn bezeichnen, sondern umfassen auch solche anderen Formen wie beispielsweise eine sinusförmige Kurve, die um einen Kreis herumläuft

Mehrere solcher Wärmeaustauscherrohre werden zur Bildung einer Wärmeaustauschereinheit zu einem Plattenwärmeaustauscher bzw. Plattenverdampfer zusammengebaut Der Zusammenbau erfolgt am einfachsten in folgender Weise. Die Wärmeaustauscherrohre werden so angeordnet, daß die plattenförmigen Flanschelemente 2a und 2b der einzelnen Wärmeaustauscherrohre in einer gemeinsamen Ebene liegen, wonach dann zvj-ji aneinanderstoßende Flanschelemente zusammengeschweißt werden (F i g. 6). Alternativ werden die freien Stirnflächen der plattenförmigen Flanschelemente 2b und 2a zuvor mit einer Nut 7 bzw. einer Feder 8 versehen (Fig.9), die zusammen eine Schwalbenschwanzverbindung ergeben, wonach dann die Wärmeaustauscherrohre durch Einführen der Federn 8 in die Nuten 7 zu einer Platte zusammengebaut werden. Eine weitere Alternative besteht darin, die plattenförmigen Flanschelemente 2a und 2b mit komplementär gestuften Abschnitten zu versehen und diese gestuften Abschnitte mit Hilfe geeigneter Befestigungsmittel, beispielsweise Schrauben und Muttern, aneinander zu befestigen, was mit oder ohne zwischengefügte Kupplungselemente erfolgen kann.

Wie bereits erwähnt wurde, werden der eigentliche Rohrkörper 3, die plattenförmigen Flanschelemente 2a •jp.d 2b sowie die Außenrinnen 6 vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung hergestellt:, statt einer Aluminiumlegierung können jedoch auch andere Metalle und Legierungen verwendet werden, sofern diese Metalle oder Legierungen hohe Wärmeleitfähigkeit haben.

Wie in F i g. 5 gezeigt ist, wird das Rippenelement 4 zunächst geradlinig stranggepreßt und anschließend einer äußeren Torsionskraft ausgesetzt, um das gewünschte innere Rippenelement mit Schraubenflächenform zu erzeugen. Von den Alternativen zu diesem Verfahren seien hier nur die folgenden Verfahren erwähnt. Ein alternatives Verfahren besteht darin, das Extrudat drehend abzuziehen, und ein anderes alternatives Verfahren besteht darin, mit einer sich drehenden Strangpreßform zu arbeiten. Die letztgenannten Verfahren werden hier als »Torsions-Strangpressen« bezeichnet. Der Rohrkörper 3 mit den Flanschelementen (und Längsrippen) und das innere Rippenelement 4, die in vorstehend angegebener Weise hergestellt wurden, werden dann zum Wärmeaustauscherrohr 1 zusammengebaut. Es wäre schwierig, einen strammen Preßsitz zwischen den Außenrändern des inneren Rippenelementes 4 und der Innenseite des Rohrkörpers 3 zu erreichen, wenn das Rippenelement 4 lediglich in den Rohrkörper 3 eingesetzt würde. Beispielsweise kann der gewünschte Preßsitz auf einfache Weise durch das schematisch in den Fig.7 und 8 dargestellte Verfahren hergestellt werden. Zunächst werden ein Rohrkörper 3 mit Flanschelementen und Längsrippen sowie das schraubenförmige innere Rippenelement 4 mit einem Außendurchmesser hergestellt, der etwas kleiner als der Innendurchmesser des Rohrkörpers 3 ist. Danach wird das innere Rippenelement 4 in den Rohrkörper 3 eingesetzt (siehe F i g. 7), wonach dann der Rohrkörper 3 allein in Richtung seiner Längsachse gezogen bzw. gereckt wird. Da durch das Ziehen der Innendurchmesser des Rohrkörpers 3 verringert wird, wird die Innenseite des Rohrkörpers unter Druck gegen die Außenränder des inneren Rippenelementes 4 gepreßt (siehe F i g. 8).

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche·.

t. Wärmeaustauscherrohr für einen SpröSr*·asser-Plattenverdampfer zum Vergasen von verflüssigtem Erdgas, mit einem Rohrkörper und zwei einstückig auf der Außenfläche des Rohrkörpers angebrachten Flanschelementen, die an diametral gegenüberliegenden Seiten vom Rohrkörper radial nach außen vorstehen und in Längsrichtung entlang der Achse des Rohrkörpers verlaufen, wobei auf der Außenseite des Rohrkörpers und auf beiden Seiten jedes Flanschelements Längsrippen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanschelemente (2,2a, 2b) plattenförmig ausgebildet und an ihrer Wurzel rippenfrei sind und daß innerhalb des Rohrkörpers (3) ein schraubenförmiges Rippenelement (4) angeordnet ist, das zumindest drei Rippen (5a bis 5Λ) aufweist, von denen jede radial von einer gemeinsamen Achse vorsteht und in Längsrichtung entlang der gemeinsamen Achse verläuft, wobei das Schraubenförmige Rippenelement so angeordnet ist, daß es mit der Innenfläche des Ruhrkörpers (3) einen Preßsitz bildet
2. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schraubenförmige Rippenelement (4) sechs bis zehn Rippen (Sa bis 5Λ) besitzt
3. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß das schraubenförmige Rippenelement (4) acht Rippen (5a bis Sh) aufweist
4. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 Ls3, dadurch gekennzeichnet daß jede Rippe (5a bis Sh) des schraubenförmigen Rippenelements (4) eine Dicke im Bereich von 1,0 bis 1,5 mm hat.
5. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet daß der Rohrkörper (3) und das schraubenförmige Rippenelement (4) Strangpreßlinge aus einer Aluminiumlegierung sind.
6. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß das Wärmeaustauscherrohr (1) ein L/D-Verhältnis im Bereich von 9 bis 10 hat wobei D der Außendurchmesser des schraubenförmigen Rippenelements (4) und L die Steigung seiner Verschraubung ist
7. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet daß die Rippen (5a bis 5Λ) des schraubenförmigen Rippenelements (4) jeweils mit zahlreichen in Längsrichtung verlaufenden Oberflächenrillen bzw. -furchen versehen sind.
8. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Längsrippen einen im wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt besitzen, dadurch gekennzeichnet daß der Rohrkörper (3) 10 bis 20 Längsrippen (6) aufweist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauscherrohres nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Rohrkörper mit den plattenförmigen Flanschelementen zusammen mit der Längsrippung durch Strangpressen hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rippenelement (4) im Strangpreßverfahren hergestellt wird und daß zur Erzeugung des Preßsitzes zwischen Rippenelement (4) und Rohrkörper (3) das schraubenförmige Rippenelement (4) in den Rohrkörper eingeführt wird, wonach dieser allein in Richtung seiner

Längsachse derart gezogen bzw. gestreckt wird, daß sich sein Innendurchmesser verringert und auf das Rippenelement (4) aufschrumpft
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das schraubenförmige Rippenelement (4) zunächst geradlinig stranggepreßt und anschließend zu einem Schraubenflächengebilde verdreht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das schraubenförmige Ripper element (4) im Torsions-Strangpreßverfahren hergestellt wird.