DE3737217C3 - Wärmeaustauscherrohr - Google Patents

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 dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 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.

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 β < 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.

Bezugszeichenliste

 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

α Winkel zw. 3 u. RLE
β Winkel zw. 7 u. 8

FSR Fluidströmungsrichtung
A Abstand v. 2
RA Rohrachse
RLE Rohrlängsebene
L Länge v. 3
H Höhe v. 3

Claims (7)

1. Wärmeaustauscherrohr (1) mit in Längsrichtung zueinander gleichmäßig distanzierten ebenen Querrippen, (2) welche aus den Rippenebenen um etwa 90° abstehende Längswirbelerzeuger (3, 3′) aufweisen, die im wesentlichen ungleichschenklig dreieckförmig gestaltet sind und sich im Winkel (α) zur Fluidströmungsrichtung (FSR) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß die Längswirbelerzeuger (3, 3′) im Winkel (α) zu der durch die Rohrachse (RA) sowie parallel zur Fluidströmungsrichtung (FSR) verlaufenden Rohrlängsebene (RLE) in verteilter Anordnung vorgesehen sind und in Fluidströmungsrichtung (FSR) sowie in Richtung zur Rohroberfläche (11) ansteigende Gratkanten (4) aufweisen, wobei die Bereiche (10) in den Querrippen (2), aus denen die Längswirbelerzeuger (3, 3′) gestanzt und abgebogen sind, auf den der Rohroberfläche (11) abgewandten Seiten der Längswirbelerzeuger (3, 3′) liegen.

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 stromabwärtigen 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.