DE4205080C2 - Wärmeübertragungsröhre - Google Patents
WärmeübertragungsröhreInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungsröhre mit einer inneren Oberfläche
und einem Innendurchmesser (D), wobei die innere Oberfläche eine Mehrzahl von am
Kopf ebenen, pyramidenähnlichen Rauhigkeitselementen aufweist, jedes Rauhig
keitselement zu einem benachbarten Rauhigkeitselement in einem Abstand (P) ent
fernt angeordnet ist, eine Höhe (e) über der inneren Oberfläche, eine Kopfbreite (a)
und eine Grundbreite (b) aufweist und das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innen
durchmesser (D) im Bereich zwischen 0,004 und 0,045 liegt.
Im Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht (DE-AS 20 32 891), ist eine
Wärmeübertragungsröhre bekannt, die mit zwei einander kreuzenden Systemen ge
gensinnig schraubenförmig verlaufender Innenzüge ausgestattet ist, durch deren
Überschneidungen die am Kopf ebenen, pyramidenähnlichen Rauhigkeitselemente
gebildet werden. Im allgemeinen sollen Rauhigkeitselemente bei Wärmeübertra
gungsröhren die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche vergrößern
und hierdurch die Wärmeübertragung dieser Wärmeübertragungsröhren verbessern.
Die DE-AS 20 32 891 offenbart bestimmte Abmessungen für die Rauhigkeitsele
mente der bekannten Wärmeübertragungsröhre, insbesondere unter Berücksichti
gung des Aspektes der Betriebssicherheit dieser Wärmeübertragungsröhre beim Ein
satz in einem Dampfkessel. Hierbei ist nämlich im Betrieb die äußere Wandfläche der
Wärmeübertragungsröhre einer starken Flammenstrahlung ausgesetzt, wodurch die
Gefahr gegeben ist, daß lokal ein Zustand auftritt, bei dem die kritische Wärmestrom
dichte überstiegen ist, was zu einem Ausbrennen der Wärmeübertragungsröhre füh
ren kann. Dabei ist unter kritischer Wärmestromdichte diejenige Heizflächenbelas
tung gemeint, bei welcher das sprunghafte Ansteigen der Rohrwandtemperatur eine
existierende Blasenverdampfung in Filmverdampfung umschlagen läßt. Es werden
daher Abmessungen für die auf der inneren Oberfläche angeordneten Rauhigkeitse
lemente offenbart, wodurch diese kritische Wärmestromdichte bei einer Wärmeüber
tragungsröhre erhöht ist. Insbesondere über die Kopfbreite der Rauhigkeitselemente
wird nichts ausgesagt. Hier kommt der Dimensionierung der Kopfbreite der pyrami
denähnlichen Rauhigkeitselemente keine besondere Bedeutung zu.
Im Stand der Technik ist eine Vielzahl von unterschiedlich ausgebildeten Wärmeüber
tragungsröhren bekannt.
So zeigt die JP-Patents Abstracts 62-62 194 (A) und die US 3 684 007 eine
glatte, ebene Oberfläche mit einer Vielzahl getrennter, erhöhter Teilabschnitte, welche
die allgemeine Form einer Pyramide aufweisen.
Die US 4 794 983 und die US 4 880 054 zeigen auf der inneren Oberfläche
eines röhrenförmigen Körpers vorspringende Bereiche mit Zwischenräumen. Diese
Bereiche sind in einem Abstand P angeordnet und weisen eine Höhe H auf. Das Ver
hältnis P/H des Abstandes P zur Höhe H der vorspringenden Bereiche liegt im Be
reich zwischen 10 und 20.
Die US 4 402 359 zeigt pyramidenähnliche Rippen als integrale Bestandteile auf
der äußeren Oberfläche einer zylindrischen Röhre. Die bevorzugte Höhe der pyrami
denähnlichen Rippen liegt bei ca. 0,56 mm, wobei die pyramidenähnlichen Rippen
mit Hilfe eines Rändel-Werkzeuges hergestellt werden, so daß ca. 20 "Reihen" pro
25,4 mm entstehen.
Die US 4 216 826 zeigt beispielhaft die äußere Oberfläche einer Röhre, welche
dünne, die Röhre umschließende Rippen mit einem rechteckigen Querschnitt von ca.
1 mm Dicke und ca. 0,25 mm Höhe aufweist.
Die US 4 245 695 zeigt die äußere Oberfläche einer Wärmeübertragungsröhre,
welche pyramidenähnliche erhöhte Teilabschnitte mit teilweise zylindrischer Form
aufweist. Durch ein Versuchsbeispiel offenbart dieses Patent für die erhöhten Ab
schnitte eine Höhe von 0,75 mm und einen "kreisförmigen Abstand" von 1,41 mm.
Die US 4 733 698 zeigt eine komplexe Anordnung von inneren Nuten oder Ril
len, welche hervorspringende Teilbereiche mit dreieckigem Querschnitt aufweisen.
Die US 4 715 436 zeigt auf der inneren Oberfläche einer Wärmeübertragungs
röhre eine Reihe von gleichmäßig beabstandeten hervorspringenden Teilbereichen.
Jeder Teilbereich weist eine glatte, gekrümmte Oberfläche auf und wird durch eine
Verformung der Röhrenwand auf der Außenseite gebildet. Das geringste Verhältnis
des Abstandes zur Höhe der Teilbereiche ist ca. 5,6 (Z/E = 2,45/0,45).
Die US 4 330 036 ist der US 4 715 436 ähnlich. Sie zeigt eine Mehrzahl von
Wülsten auf der inneren Oberfläche einer Wärmeübertragungsröhre.
Die US 4 660 630 und die US 4 658 892 zeigen die Innenflächen von Röh
ren mit rippenartiger Struktur. Hierbei sind spiralförmig verlaufende Nuten durch "zu
sammenhängende" Rippen getrennt.
Die Wärmeübertragung bei der im Stand der Technik bekannten Wärmeübertra
gungsröhre, von der die Erfindung ausgeht, ist nicht optimal. So kann die Größe,
Form und der Abstand der Rauhigkeitselemente noch weiter optimiert werden, um
den Wirkungsgrad für den Wärmeübergang in Wärmeübertragungsröhren zu maxi
mieren. Weiterhin ist die Herstellung der bekannten Wärmeübertragungsröhre, von
der die Erfindung ausgeht, nicht nur äußerst aufwendig, sondern aufgrund der - nicht
optimal - kreuzenden Systeme gegensinnig schraubenförmig verlaufender Innenzüge
wird bei der Herstellung einer solchen Wärmeübertragungsröhre viel Material benö
tigt, wodurch sich die Kosten für eine solche Wärmeübertragungsröhre erhöhen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Wärmeübertragungs
röhre, von der die Erfindung ausgeht, derart auszugestalten und weiterzubilden, daß
der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung optimiert und der Umfang des zur Herstel
lung einer Wärmeübertragungsröhre notwendigen Materials verringert ist.
Die Aufgabe ist nun dadurch gelöst (vgl. Patentanspruch 1), daß das Verhältnis der
Kopfbreite zur Grundbreite im Bereich zwischen 0,35 und 0,65 liegt. Weiterhin ist die
Aufgabe dadurch gelöst (vgl. Patentanspruch 2), daß das Verhältnis des Abstandes
zur Höhe im Bereich zwischen 2,5 und 5,0 liegt. Bei der erfindungsgemäßen Wärme
übertragungsröhre ist nun die Größe, Form und der Abstand der Rauhigkeitselemente
optimiert worden, wodurch der Wirkungsgrad für den Wärmeübergang maximiert ist.
Gleichzeitig wird durch diese optimale Anordnung und Dimensionierung der pyrami
denähnlichen Rauhigkeitselemente Material bei der Herstellung der erfindungsgemä
ßen Wärmeübertragungsröhre eingespart, wodurch die Kosten für die Herstellung der
erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsröhre wesentlich minimiert sind. Mit der er
findungsgemäßen Wärmeübertragungsröhre wird nicht nur ein wirkungsvollerer und
wirtschaftlicherer Wärmeübergang erzielt, sondern die erfindungsgemäße Wärme
übertragungsröhre ist - aufgrund der optimalen Abmessungen der Rauhigkeitsele
mente - in den unterschiedlichsten Verdampfern bzw. Verflüssigern einsetzbar. Da die
erfindungsgemäße Wärmeübertragungsröhre einen im wesentlichen optimalen Wär
meübergang gewährleistet, ist auch eine kompaktere Bauweise von Verdampfern
bzw. Verflüssigern möglich.
Es gibt daher verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in
vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist auf die nachgeord
neten Patentansprüche und die nachfolgende Erläuterung von Ausführungsbeispie
len der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläu
terung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Lehre erläutert.
In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer "im Inneren" verbesserten Wär
meübertragungsröhre,
Fig. 2 eine erfindungsgemäße, optimale Anordnung der Rauhigkeitselemente
für eine Wärmeübertragungsröhre nach Fig. 1,
Fig. 3 in vergrößerter Darstellung mehrere Rauhigkeitselemente aus Fig. 2 im
Schnitt,
Fig. 4(a) eine empirisch bestimmte grafische Darstellung der Materialeinsparun
gen als Funktion der relativen Rauhigkeit in einem Koordinatensystem
für einen Verflüssiger und einen Verdampfer,
Fig. 4(b) eine empirisch bestimmte grafische Darstellung der Materialeinsparun
gen als Funktion der relativen Rauhigkeit für einen "Chiller-Verdampfer"
und einen "Chiller-Verflüssiger",
Fig. 4(c) eine empirisch bestimmte grafische Darstellung der Materialeinsparun
gen als Funktion der relativen Rauhigkeit für eine Kühlwasserschlange
und
Fig. 5 eine empirisch bestimmte grafische Darstellung des optimalen Bereiches
für die Verhältnisse der Form und des Abstandes der Rauhigkeitsele
mente nach den Fig. 2 und 3.
Fig. 1 zeigt eine "im Inneren" verbesserte Wärmeübertragungsröhre 10, so wie sie für
den Wärmeübergang zwischen zwei Strömungsmedien in einem Verdampfer, in einem
Verflüssiger, in einer Kühlwasserschlange, in einem Röhrenkesselverdampfer oder in
einem Röhrenkesselverflüssiger eines Kühlsystems eingesetzt werden kann. Natürlich
kann diese Wärmeübertragungsröhre 10 auch bei anderen Wärmeübertragungsvor
gängen zum Einsatz kommen, so daß diese verschiedenen Einsatzmöglichkeiten hier
auch in Erwägung gezogen werden müssen.
Die Wärmeübertragungsröhre 10 weist eine Längsachse, einen Innendurchmesser D
und eine innere Oberfläche 12 auf. Auf der inneren Oberfläche 12 sind Rauhigkeitse
lemente 14 angeordnet, so daß der Wärmeübergang zwischen der inneren Oberfläche
12 und einem in der Wärmeübertragungsröhre 10 strömenden wärmeübertragenden
Strömungsmedium erleichtert wird. Die Größe, der Abstand, die Form und die Dimen
sionierung der Rauhigkeitselemente 14 relativ zum Innendurchmesser D und zu den
benachbarten Rauhigkeitselementen 14 bestimmen die relative Rauhigkeit der inne
ren Oberfläche 12.
Die Rauhigkeitselemente 14 werden durch Materialverformung ausgehend von der
inneren Oberfläche 12 der Wärmeübertragungsröhre 10 gebildet, so daß auf diese
Weise nur Rauhigkeitselemente 14 sich über die innere Oberfläche 12 hinaus er
strecken. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Formung und Gestaltung der Rauhig
keitselemente 14 durchzuführen. Die US 3 861 462, die US 3 885 622 und
die US 3 902 552 offenbaren Verfahren zur Gestaltung von inneren Oberflächen
von Röhren.
In diesem Verfahren werden Rauhigkeitsele
mente 14 auf einer ebenen Platte, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, gebildet und dann zu
einer Röhre 10, wie in Fig. 1 dargestellt, gerollt. Die Größe der Rauhigkeitselemente
14 relativ zum Innendurchmesser D der Wärmeübertragungsröhre 10 ist so, wie die
Fig. 2 und 3, die innere Oberfläche 12 der Wärmeübertragungsröhre 10 darstellend,
diese zeigen.
Nach Formung der Rauhigkeitselemente 14, wie in Fig. 3 dargestellt, ragt jedes Rau
higkeitselement 14 über die innere Oberfläche 12 mit einer Höhe e hinaus. In der be
vorzugten Ausführungsform ist jedes Rauhigkeitselement 14 gleichmäßig von jeweils
einem benachbarten Rauhigkeitselement 14 beabstandet. Jedes Rauhigkeitselement
14 weist im wesentlichen die Form einer am Kopf ebenen Pyramide auf. Die Form ei
ner am Kopf ebenen Pyramide wird deshalb bevorzugt, weil diese leicht mit einem
Arbeitsgang eines Rohr-Rändelwerkzeugs gebildet werden kann.
Die Höhe e jedes Rauhigkeitselementes 14 ist so dimensioniert, daß das Verhältnis e/D
der Höhe e zum Innendurchmesser D im Bereich zwischen 0,004 und 0,045 liegt. Der
Grund für die Wahl dieses Bereiches ist aus dem dargestellten Graphen für Mate
rialeinsparungen als Funktion der relativen Rauhigkeit, dargestellt in Fig. 4 (a), (b)
und (c), ersichtlich. Die Graphen zeigen die Materialeinsparungen als Funktion der
relativen Rauhigkeit für einen "Chiller-Verdampfer" 16, einen "Chiller-Verflüssiger"
18, eine Kühlwasserschlange 20, einen Verflüssiger 22 und einen Verdampfer 24. Der
Ausdruck "Chiller" ist ein Fachausdruck für z. B. einen Vorgang, bei dem ein Strö
mungsmedium auf eine Temperatur gekühlt wird, welche unterhalb der Temperatur
liegt, auf welche es abgekühlt werden würde, wenn Wasser als Kühlungsmittel be
nutzt worden wäre (Perry Chemical Engineer′s Handbook, 6. Aufl., 1984, S. 11-3). Aus den
Fig. 4(a) bis 4(c) ist ersichtlich, daß das Verhältnis e/D der optimalen Höhe e der
Rauhigkeitselemente 14 zum Innendurchmesser D für Wärmeübertragungsröhren 10
im Bereich zwischen 0,011 und 0,019 liegt. Das Verhältnis e/D der Höhe e zum Innen
durchmesser D ist für eine Verdampferschlange bei 0,0125, für eine Verflüssiger
schlange bei 0,0125, für eine Kühlwasserschlange bei 0,019, für eine Röhrenkessel
verdampferschlange bei 0,015 und für eine Röhrenkesselverflüssigerschlange bei
0,011 optimal. Die Materialeinsparungen stellen die Einsparungen des Röhrenmateri
als für einen bestimmten Wärmeübertragungseinsatz relativ zu einer Wärmeübertra
gungsröhre mit einer glatten, inneren Oberfläche dar, welche bei dem gleichen Wär
meübertragungseinsatz bei gleichem Mindestmaß der Röhrenwandstärke, damit der
selbe Berstdruck festgelegt ist, verwendet wird. Bei der erfindungsgemäßen Wärme
übertragungsröhre 10 kann dies beispielsweise durch eine Verringerung des Innen
durchinessers D und/oder durch eine Verringerung der Länge erreicht werden.
Wie in Fig. 3 dargestellt, sind die Rauhigkeitselemente 14 auf der inneren Oberfläche
12 gleichmäßig voneinander beabstandet. Dieser Abstand P ist willkürlich, aber zwi
schen einander korrespondierenden Punkten bei benachbarten Begrenzungselemen
ten 14 festgelegt. Der Abstand P ist so gewählt, daß das Verhältnis P/e des Abstandes
P zur Höhe e im Bereich zwischen 2,5 und 5,0 liegt, wobei das bevorzugte Verhältnis
P/e des Abstandes P zur Höhe e 3,0 ist.
Die Form der Rauhigkeitselemente 14 ist also optimiert, wie es in Fig. 5 grafisch dar
gestellt ist. Hier ist in einem Koordinatensystem das Verhältnis b/P der Grundbreite b
zum Abstand P zum Verhältnis a/b der Kopfbreite a zur Grundbreite b dargestellt. Das
optimale Verhältnis a/b der Kopfbreite a zur Grundbreite b ist 0,45 und der optimale
Bereich für das Verhältnis a/b liegt zwischen 0,35 und 0,65. Das optimale Verhältnis
b/P der Grundbreite b zum Abstand P ist 0,67 und der optimale Bereich für das Ver
hältnis b/P ist bevorzugt zwischen 0,3 und 0,8. Dadurch ist die Seitenwandneigung s
der Rauhigkeitselemente 14 eindeutig durch die Gleichung tan s = (b - a)/2e definiert.
Dies entspricht auch der Gleichung tan s = (b/P) (P/e) (1 - a/b)/2. Bevorzugt weist die
Seitenwand eine Neigung von näherungsweise 32° auf.
Schließlich weist, in der bevorzugten Ausführungsform, jedes pyramidenähnliche
Rauhigkeitselement 14 Ecken 26 auf. Bevorzugt zeigt eine Ecke 26 in Richtung auf
das das Rauhigkeitselement 14 anströmende Strömungsmedium, wie es in Fig. 2
durch den Pfeil F dargestellt ist.
Der Gegenstand der Erfindung betrifft eine "im Inneren" verbesserte Wärmeübertra
gungsröhre, wodurch der Wärmeübergang optimiert wird. Es ist offensichtlich, daß
Veränderungen des Gegenstandes der Erfindung, wie er hier beschrieben ist, möglich
sind. So ist z. B. eine Veränderung der Form der bevorzugten am Kopf ebenen Pyra
mide für die Rauhigkeitselemente 14 möglich, so daß auch andere geometrische For
men, welche die Grenzwertbedingungen erfüllen, möglich sind. Zusätzlich ist es auch
möglich, daß der gleichmäßige Abstand der Rauhigkeitselemente, so wie er in Verbin
dung mit der bevorzugten Ausführungsform beschrieben ist, verändert werden kann.
So können Rauhigkeitselemente auch nur "eindimensional" beabstandet werden,
vergleichbar zu den Rauhigkeitselementen, welche wie in Fig. 2 dargestellt "zweidi
mensional" beabstandet sind. Alle diese Veränderungen müssen für den Gegenstand
der Erfindung in Erwägung gezogen werden.
Claims (16)
1. Wärmeübertragungsröhre mit einer inneren Oberfläche (12) und einem Innen
durchmesser (D), wobei die innere Oberfläche (12) eine Mehrzahl von am Kopf ebe
nen, pyramidenähnlichen Rauhigkeitselementen (14) aufweist, jedes Rauhigkeitsele
ment (14) zu einem benachbarten Rauhigkeitselement (14) in einem Abstand (P) ent
fernt angeordnet ist, eine Höhe (e) über der inneren Oberfläche (12), eine Kopfbreite
(a) und eine Grundbreite (b) aufweist und das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum In
nendurchmesser (D) im Bereich zwischen 0,004 und 0,045 liegt, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verhältnis (a/b) der Kopfbreite (a) zur Grundbreite (b) im Bereich
zwischen 0,35 und 0,65 liegt.
2. Wärmeübertragungsröhre mit einer inneren Oberfläche (12) und einem Innen
durchmesser (D), wobei die innere Oberfläche (12) eine Mehrzahl von am Kopf ebe
nen, pyramidenähnlichen Rauhigkeitselementen (14) aufweist, jedes Rauhigkeitsele
ment (14) zu einem benachbarten Rauhigkeitselement (14) in einem Abstand (P) ent
fernt angeordnet ist, eine Höhe (e) über der inneren Oberfläche (12), eine Kopfbreite
(a) und eine Grundbreite (b) aufweist und das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum In
nendurchmesser (D) im Bereich zwischen 0,004 und 0,045 liegt, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verhältnis (P/e) des Abstandes (P) zur Höhe (e) im Bereich zwi
schen 2,5 und 5,0 liegt.
3. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) im Bereich zwischen
0,011 und 0,019 liegt.
4. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) im Bereich zwischen
0,004 und 0,019 liegt.
5. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) im Bereich zwischen
0,011 und 0,045 liegt.
6. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) nähe
rungsweise gleich 0,0125 ist.
7. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) nähe
rungsweise gleich 0,019 ist.
8. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) nähe
rungsweise gleich 0,015 ist.
9. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verhältnis (e/D) der Höhe (e) zum Innendurchmesser (D) nähe
rungsweise gleich 0,011 ist.
10. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Rauhigkeitselemente (14) gleichmäßig beabstandet sind.
11. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verhältnis (P/e) des Abstandes (P) zur Höhe (e) näherungsweise
gleich 3,0 ist.
12. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verhältnis (a/b) der Kopfbreite (a) zur Grundbreite (b) näherungs
weise gleich 0,45 ist.
13. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verhältnis (b/P) der Grundbreite (b) zum Abstand (P) im Bereich
zwischen 0,3 und 0,8 liegt.
14. Wärmeübertragungsröhre nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhältnis (b/P) der Grundbreite (b) zum Abstand (P) näherungsweise gleich 0,67 ist.
15. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn
zeichnet, daß jedes Rauhigkeitselement (14) eine Seitenwandneigung (s) aufweist
und daß die Seitenwandneigung (s) durch die Gleichung tan s = (b - a)/2e definiert
ist.
16. Wärmeübertragungsröhre nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß jedes Rauhigkeitselement (14) mindestens eine Ecke (26) aufweist und
die Ecke (26) in Richtung auf das innerhalb der Wärmeübertragungsröhre (10) das
Rauhigkeitselement (14) anströmende Strömungsmedium zeigt.
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