DE3737217C2 - - Google Patents
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- DE3737217C2 DE3737217C2 DE3737217A DE3737217A DE3737217C2 DE 3737217 C2 DE3737217 C2 DE 3737217C2 DE 3737217 A DE3737217 A DE 3737217A DE 3737217 A DE3737217 A DE 3737217A DE 3737217 C2 DE3737217 C2 DE 3737217C2
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
- F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
- F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
- F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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- F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
- F28F13/12—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by creating turbulence, e.g. by stirring, by increasing the force of circulation
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Description
Die Erfindung richtet sich auf ein Wärmeaustauscherrohr mit
in Längsrichtung zueinander gleichmäßig distanzierten ebenen
Querrippen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Um die Wärmeaustauschbedingungen an den Querrippen zu ver
bessern, hat man im Rahmen der DE-PS 5 96 871 rechtwinklig
von den Oberflächen der Querrippen abstehende Wirbelerzeuger
vorgesehen, die in die Fluidströmung ragen. Diese Wirbeler
zeuger haben einen rechteckigen Querschnitt. Sie werden
aus dem Material der Querrippen gestanzt und anschließend
umgebogen. Ihre Erstreckungsrichtung verläuft parallel zur
Fluidströmungsrichtung.
Mit Hilfe derartiger Wirbelerzeuger konnten die Wärmeaus
tauschbedingungen im Vergleich zu vorsprungslosen Querrippen
deutlich verbessert werden. Als Nachteil ist jedoch ein
im Vergleich zu dem verbesserten Wärmeübergang überpropor
tionaler Druckverlust vorhanden.
Die Ausarbeitung "Wing Type Vortex Generators for Heat Trans
fer Enhacement", Proc. 8th THTC, San Francisco, Vol. 5, pp.
2909-2913, 1986, befaßt sich gezielt mit dem qualitativen und
quantitativen Vergleich der Wirkung der Flügelform sowie des
Anströmwinkels von Rechteckflügeln. Deltaflügeln und Drei
eckflügel-Paaren (sog. winglet pairs).
Die Vergleichsuntersuchungen werden anhand solcher Deltaflü
gel und winglet pairs durchgeführt, die hinsichtlich ihrer
Gratkanten gegen die Strömungsrichtung des Fluids ansteigen.
Dabei werden ausschließlich Betrachtungen bezüglich der
von einer Fläche abstehenden Flügel in Relation zu dieser
Fläche angestellt. Relativbeziehungen zwischen den Deltaflü
geln und den winglet pairs einerseits sowie Wärmeaustauscher
rohren andererseits werden nicht in Erwägung gezogen.
Als Ergebnis gelangt man zu der Feststellung, daß sich aus
diesen Betrachtungen die Deltaflügel als besonders vorteil
haft erweisen.
Bezüglich dieses Standes der Technik hat sich aber bei von
der Anmelderin durchgeführten Untersuchungsreihen herausge
stellt, daß die Ausbildung und Anordnung der Deltaflügel
bei mit Rippen versehenen Wärmeaustauscherrohren praktisch
unbrauchbar ist.
Ein Nachteil ist der Sachverhalt, daß die Deltaflügel auf
grund der gegen die Strömung vorstehenden Anströmflächen ein
erhebliches Hindernis im Strömungsweg des Fluids bilden
und somit eine Erhöhung des Druckverlusts bewirken. Im Prin
zip derselbe Nachteil trifft auch für die winglet pairs zu.
Diese Nachteile verstärken sich ferner dadurch, daß die
Gratkanten beider Systeme gegen die Strömungsrichtung des
Fluids ansteigen.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sich zwischen den
winglet pairs und den benachbarten Wänden Löcher in den
Rippen befinden, aus denen die winglet pairs herausgebogen
sind. Diese ausgestanzten Bereiche führen zu einer weiteren
Erhöhung des Druckverlusts. Schwerwiegender ist jedoch die
Behinderung des Wärmeflusses aus den Rippen zu den Wänden.
Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebe
nen Wärmeaustauscherrohr liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, dieses so auszugestalten, daß ein überproportiona
ler Anstieg der Druckverluste bei verbesserten Wärmeüber
gangsbedingungen vermieden wird.
Die Lösung diese Aufgabe besteht in den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruch 1.
Die Erfindung betrachtet demnach gezielt einzelne dreieck
förmige Längswirbelerzeuger einerseits in Relation zur Rippe
und andererseits in Relation zum Wärmeaustauscherrohr. Da
durch, daß jetzt jeder Längswirbelerzeuger im Winkel zu
der durch die Rohrachse sowie parallel zur Fluidströmungs
richtung verlaufenden Rohrlängsebene in verteilter Anordnung
vorgesehen ist und die Längswirbelerzeuger sowohl in Fluid
strömungsrichtung als auch in Richtung zur Rohroberfläche
ansteigende Gratkanten aufweisen, werden Wärmeübergangsbe
dingungen von dem die Rippe anströmenden Fluid auf das in
dem Wärmeaustauscherrohr strömende Fluid geschaffen, ohne
daß hierbei ein nennenswerter schädlicher Druckverlust er
zeugt wird.
Die Erfindung befaßt sich also nicht mit dem Vergleich von
von einer Fläche abstehenden winglet pairs mit Deltaflügeln
oder Rechteckflügeln, sondern betrachtet bewußt einzelne
Längswirbelerzeuger in einer spezifischen Relation zur Rohr
oberfläche. Dabei ist es von besonderer Bedeutung, daß die
Bereiche in den Rippen, aus denen die Längswirbelerzeuger
ausgestanzt und rechtwinklig abgebogen sind, auf den Seiten
der Längswirbelerzeuger liegen, die dem Wärmeaustauscherrohr
abgewandt sind.
Diese gezielte Relativzuordnung der Längswirbelerzeuger
zu den Rohroberflächen erlaubt es mit Hilfe des hinter den
Längswirbelerzeugern entstehenden Fluiddralls die im wesent
lichen einen thermischen Widerstand darstellenden rippen
nahen Grenzschichten mit relativ geringem Energieaufwand
umzuwälzen. Die extrem reibungsarmen Längswirbel bewirken
hinter den Längswirbelerzeugern Bereiche mit örtlich erheb
lich verbesserten Wärmeübergangsbedingungen. Aufgrund dessen
wird der Wärmeübergangskoeffizient ohne gleichzeitige Erhö
hung des Druckverlusts deutlich heraufgesetzt.
Die erfindungsgemäßen Längswirbelerzeuger entfalten ihre
vorteilhafte Wirkung bei sämtlichen Querschnitten von Wärme
austauscherrohren. Das heißt, sie können bei runden, ellip
tischen oder keilförmigen Rippenrohren eingesetzt werden.
Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Grundgedan
kens verkörpern die Merkmale des Anspruchs 2. Die Versetzung
ist hierbei so getroffen, daß die Längswirbel sich gegen
seitig nicht nachteilig beeinflussen.
Im Zusammenhang mit internen Versuchen hat sich gezeigt,
daß der Wärmeübergang mit den Merkmalen des Anspruchs 3 noch
mehr gesteigert werden kann.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Längswirbelerzeuger wird
in den Merkmalen des Anspruchs 4 gesehen. Hierdurch werden
auch die entsprechenden Ausstanzungen in den Querrippen
bestimmt. Diese Form der Ausstanzungen wird als optimaler
Kompromiß zwischen folgenden zum Teil gegenläufigen Forde
rungen betrachtet:
- a) hohe örtliche Wärmeübergangskoeffizienten,
- b) minimale Beeinträchtigung des Wärmeflusses innerhalb einer Querrippe,
- c) geringe Druckverluste,
- d) einfache Herstellung,
- e) problemlose Tauchverzinkung.
Bei Anwendung der Merkmale des Anspruchs 5 wird ein Eindrin
gen der Längswirbelerzeuger in die Grenzschicht der benach
barten Querrippe ermöglicht. Neben dem Aufreißen der Grenz
schicht wird als weiterer Vorteil erzielt, daß bei der in
der Regel durchgeführten Tauchverzinkung eine feste Verbin
dung der Längswirbelerzeuger mit der benachbarten Querrippe
gewährleistet werden kann. Außerdem werden hierdurch die
wärmetechnischen Eigenschaften der Austauschfläche an den
Längswirbelerzeugern durch den nunmehr günstigeren Rippenwir
kungsgrad (1/2 Höhe) verbessert. Hiermit ist gemeint, daß
die Wärme aus den Flächen der Längswirbelerzeuger in Rich
tung auf beide benachbarte Rippen bzw. umgekehrt fließen
kann.
Die hinterschnittene Gestaltung der Längswirbelerzeuger
entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 6 ist mit dem Vor
teil verbunden, daß die Längswirbelerzeuger unmittelbar
zur Distanzierung von zwei benachbarten Querrippen herange
zogen werden können. Hierbei genügt es, wenn nur ein Teil
der Längswirbelerzeuger bezüglich ihrer Stirnkanten hinter
schnitten ist.
Die Ausbildung und Anordnung der Längswirbelerzeuger gemäß
den Merkmalen des Anspruchs 7 erleichtert ihre Herstellung.
Die Längswirbelerzeuger können nur einseitig oder zu beiden
Seiten aus einer Querrippe abgewinkelt sein. Bei Anwendung
der Merkmale des Anspruchs 8 werden günstige Druckdifferen
zen erzielt, die Absaug- und Ausblaseffekte ergeben, welche
sich positiv auf die Grenzschichtausbildung auswirken, d. h.
die Grenzschichtdicken reduzieren.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigt
Fig. 1 einen Längenabschnitt eines berippten keilförmi
gen Wärmeaustauscherrohrs in der Perspektive;
Fig. 2 eine Stirnansicht auf das Wärmeaustauscherrohr
der Fig. 1;
Fig. 3 in vergrößerter perspektivischer Darstellung
einen Oberflächenbereich einer Querrippe mit
einem Längswirbelerzeuger und
Fig. 4 den Bereich zwischen drei benachbarten Querrippen
mit Längswirbelerzeugern gemäß einer weiteren Aus
führungsform.
In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 ein keilförmiges Wärmeaus
tauscherrohr bezeichnet, das innenseitig mit einem dampf
förmigen Fluid und außenseitig entsprechend den Pfeilen
FSR mit einem kälteren gasförmigen Fluid beaufschlagt wird.
Das Wärmeaustauscherrohr 1 ist mit einer Vielzahl von im
Abstand A nebeneinander angeordneten ebenen Querrippen 2
bestückt. Die Querrippen 2 sind rechteckig ausgebildet.
Die Festlegung der Querrippen 2 auf dem Wärmeaustauscher
rohr 1 erfolgt auf dem Wege des Tauchverzinkens.
Zur Verbesserung der Wärmeübergangsbedingungen sind aus den
Querrippen 2 (Fig. 1 bis 3) Längswirbelerzeuger 3 abge
winkelt. Die Längswirbelerzeuger 3 haben einen im wesent
lichen dreieckfömigen ungleichschenkligen Querschnitt und
werden durch Ausstanzen und Abwinkeln um etwa 90° aus den
Rippenebenen gebildet. Sie erstrecken sich in einem Winkel α
von 15° zu der durch die Rohrachse RA sowie parallel zur
Fluidströmungsrichtung FSR verlaufenden Rohrlängsebene RLE.
Außerdem weisen sie in Fluidströmungsrichtung FSR sowie
in Richtung auf die Rohroberfläche 11 ansteigende Gratkanten
4 auf.
Die Länge L der Längswirbelerzeuger 3 ist zu ihrer maximalen
Höhe H wie 3 : 1,75 bemessen. Die maximale Höhe H entspricht
etwa dem Rippenabstand A.
Wie insbesondere die Fig. 2 erkennen läßt, sind die Längs
wirbelerzeuger 3 sowohl in als auch quer zur Fluidströmungs
richtung FSR zueinander versetzt angeordnet. Auch zeigt
die Fig. 2, daß die Längswirbelerzeuger 3, bezogen auf
die Rohrlängsebene RLE, zu beiden Seiten symmetrisch ange
ordnet sind.
Durch die Längswirbelerzeuger 3 werden reibungsarme Längs
wirbel 5 gebildet, die in den Bereichen hinter den Längswir
belerzeugern 3 einen örtlich hohen Wärmeübergang gewährlei
sten. Sie reißen durch ihren starken Drall die Grenzschich
ten an den Querrippen 2 auf und wälzen sie um, wobei die
rippennahen warmen oder kalten Fluidschichten ständig durch
die rippenfernen kalten bzw. warmen Fluidschichten ersetzt
werden.
Mit 6 sind die durch die Anlaufkanten 12 der ausgestanzten
Bereiche 10 gebildeten verdünnten Grenzschichtbereiche be
zeichnet.
In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform veranschaulicht, bei
welcher die Stirnkanten 7 der Längswirbelerzeuger 3′ mit den
Oberflächen 8 der Querrippen 2 einen Winkel b < 90° ein
schließen. Diese Ausführungsform gestattet es, die Längswir
belerzeuger 3′ zur Distanzierung von benachbarten Querrippen
2 heranzuziehen, da die Spitzen 9 der Längswirbelerzeuger 3′
aufgrund der Hinterschneidungen an der benachbarten Querrip
pe 2 außerhalb des ausgestanzten Bereichs 10 zur Anlage
gelangen.
Bezugszeichenaufstellung
1 Wärmeaustauscherrohr
2 Querrippen
3 Längswirbelerzeuger
4 Gratkanten
5 Längswirbel
6 Bereiche hinter 3
7 Stirnkanten v. 3′
8 Oberflächen v. 2
9 Spitzen v. 3′
10 ausgestanzter Bereich
11 Oberfläche v. 1
12 Anlaufkanten
3′ Längswirbelerzeuger
2 Querrippen
3 Längswirbelerzeuger
4 Gratkanten
5 Längswirbel
6 Bereiche hinter 3
7 Stirnkanten v. 3′
8 Oberflächen v. 2
9 Spitzen v. 3′
10 ausgestanzter Bereich
11 Oberfläche v. 1
12 Anlaufkanten
3′ Längswirbelerzeuger
α Winkel zw. 3 u. RLE
β Winkel zw. 7 u. 8
β Winkel zw. 7 u. 8
FSR Fluidströmungsrichtung
A Abstand v. 2
RA Rohrachse
RLE Rohrlängsebene
L Länge v. 3
H Höhe v. 3
A Abstand v. 2
RA Rohrachse
RLE Rohrlängsebene
L Länge v. 3
H Höhe v. 3
Claims (8)
1. Wärmeaustauscherrohr mit in Längsrichtung zueinander
gleichmäßig distanzierten ebenen Querrippen, welche aus
den Rippenebenen um etwa 90° abstehende Längswirbelerzeuger
aufweisen, die im wesentlichen ungleichschenklig dreieckför
mig gestaltet sind und sich im Winkel zur Fluidströmungsrich
tung erstrecken, dadurch gekennzeichnet,
daß die Längswirbelerzeuger (3, 3′) im Winkel (a) zu der
durch die Rohrachse (RA) sowie parallel zur Fluidströmungs
richtung (FSR) verlaufenden Rohrlängsebene (RLE) in verteil
ter Anordnung vorgesehen sind und in Fluidströmungsrichtung
(FSR) sowie in Richtung zur Rohroberfläche (11) ansteigende
Gratkanten (4) aufweisen.
2. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Längswirbelerzeuger
(3, 3′) sowohl in als auch quer zur Fluidströmungsrichtung
(FSR) zueinander versetzt angeordnet sind.
3. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß der Winkel (α)
zwischen den Längswirbelerzeugern (3, 3′) und der Rohrlängs
ebene (RLE) 10° bis 30°, vorzugsweise etwa 15° beträgt.
4. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Länge
(L) der Längswirbelerzeuger (3, 3′) zu ihrer maximalen Höhe
(H) etwa wie 3 : 2 bis 3 : 1, bevorzugt 3 : 1,75 bemessen
ist.
5. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die maxi
male Höhe (H) der Längswirbelerzeuger (3, 3′) etwa dem Rip
penabstand (A) entspricht.
6. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stirn
kanten (7) der Längswirbelerzeuger (3′) mit den Oberflächen
(8) der Querrippen (2) einen Winkel (β) < 90° einschließen.
7. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß bezogen
auf die Rohrlängsachse (RLE) die Längswirbelerzeuger (3, 3′)
zu beiden Seiten symmetrisch angeordnet sind.
8. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Längs
wirbelerzeuger (3, 3′) paarweise wechselseitig zu beiden
Seiten einer Querrippe (2) angeordnet sind.
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