DE7422107U - Rippenrohr - Google Patents

Description

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HÖGER - STELLRECHT - GRIESS3ACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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27.Juni 19

UNIVERSAL OIL PRODUCTS COMPANY TVn Uü? Pliiza—A l^oii-^ü ίίΐ & !^v:t Pi'ospect. Roadc Deö Plair.es, Illinois, USA

Rippenrohr

	"■-" y* * * ; * ' ί ' ' ei r- ' ι , "j * y> T~* ΐ * — ^ i ^..J WiIf--, ij _ l.- 1 j 1 1	t ein Rippenrohr mit angeformten äußeren	nach außen	; US-SN
	innerer: Rippen, d	ie von der Rohrwandung radial	997,	.März 1972),
bzw	. innen abstehen.	In den US-PS 3 217 799, 3 463	37 sowie in einigen früheren Anmeldungen	ist sehr
3 4	fal 39^ und 3 5t>9 4	N 674 611 vom 11.Oktober 1967
der	Anrr.oidorin ( US-S	1972 und US SN 232 571 vom 7
22-4	09p vom 2.Februar	hiermit Bezug genommen wird, - 2
auf	deren Offenbarung	742210726.9. η

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ausführlich beschrieben, daß durch spezielle Ausgestaltung der Innen- und/oder Außenwand von Rohren hinsichtlich der Wiirnipilbertra.punc; beträchtliche Verbesserungen gegenüber glatten Rohren erzielt v/erden können. Was die äußere Rohrwandung anbelangt, so hat man bei der Ausbildung der Rippen einen Stand der Technik erreicht, gemäß welchem stark vergrößerte Oberflächen und andere günstige !Eigenschaften erreicht werden können, welche beträchtliche Verbesserungen des Wärmeübertragungskoeffizienten für den auf der Außenseite des Rohrs entlangfließenden Flüßigkeitsfilm ermöglichen. Aufgrund dieser Zusammenhänge ergpb es sich, daß man für bestimmte Wärmetauschersysteme eine zusätzliche Verbesserung durch Änderung der Innenwandung von außen mit Rippen versehenen Rohren zu erreichen suchte. Einer dieser Versuche besteht darin, an der inneren Rohrwandung wendelförmig oder ringförmige Rippen zu erzeugen, um die Turbulenzbildung in der durch das Rohr strömenden Flüßigkeit zu fördern. Beispiele für derartige innere Rippen und ihre Anwendung finden sich in den US-PS

2 181 927, 2 220 726, 2 432 308, 2 913 009, 3 088 ^9^ und

3 612 175.

Um Vergleiche zwischen der Wärmeübertragungsleistung von Rohren mit unterschiedlich gestalteter Innenwandung zu ermöglichen, wurde die folgende Sonderform der Sieder-Tata-Gleichung aufgestellt:

h_id_i/k = C₁Cd₁GZyU)⁰- ⁸(C^u/l0^1/39u//i_w)° -¹^ (1) In dieser Gleichung bedeuten:

h. = innerer Wärmeübertragungskoeffizient, Btu/hr-sq ft-⁰P, d- = Innendurchmesser des Rohrs, ft;

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k = Wärmeleitfähigkeit der Flüßigkeit im Inneren des Rohrs bei einer Temperatur, bei der noch eine geschlossene Fl üPii gl-rfti taströmung vorliegt, btu/nr-sq 1 t- r/ft,

C. = innerer Wärmeübertragungskoeffizient (dimensions lose Konstante) ,

G = Massengoschwindigkeit, lb/hr-sq ft, C = Spezifische Wärme, Btu/lb°P,

u ·"- Viskosität der Flüßigkeit im Inneren des Rohrs bei der mittleren Temperatur, bei welcher eine geschlossene Flüßigkeitsströmung vorliegt, lb/ft-hr,

u_w = Viskosität der Flüsigkeit ir. Innerer, des Rohrs bei der durchschnittlichen WanQoe,;.peratur, lb/ft-hr.

Die Gleichung ist anwendbar auf eine einphasige Flüßigkeit, welcne im Inneren eines glatten oder eines mit inneren Rippen versehenen Rohrs eine turbulente Strömung bildet, vorausgesetzt, daß der richtige Wert C- verwendet wird. Der innere Wärmeübertragungskoeffizient C. kann für ein bestimmtes Rohr experimentell bestimmt werden, und zwar mit Hilfe einer abgewandelten Wilson-Aufzeichnungstechnik, wie sie in der Zeitschrift "Industrial Engineering Chemistry Process Design & Development" Vol. 10, Nr. 1, 1971, Seiten 19 bis 30 in der Arbeit " Dampfkondensat ion an vertikalen Reihen von horizontal gewellten und ebenen Rohren " von J.G.Withers und E.H. Young beschrieben ist. Obwohl es grundsätzlich wünschenswert ist, ein Rohr so zu gestalten, daß C. ein Maximalwert ist,

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gibt es viele Fälle, in denen es wünschenswert sein könnte, daß C. einen niedrigeren jedoch vorgegebenen Wert hat. Diese c :<.,,„*. ^: „,, i„",nn(-o α!,.1-1 hoi^riiplRWPiüP in K/i L J en erpteoen, ir, denen hinsichtlich des Druckabfalls sehr scharfe Beschränkungen vorliegen. In Fällen, bei denen der Konstrukteur hinsichtlich der Wahl der Gestaltung der Innenwandung des Rohrs durch begrenzte Möglichkeiter, der Metallbearbeitung oder wegen der Notwendigkeit, Material einzusparen, beschränkt ist, kann es wichtig -sein, nicht den absolut höchsten Wert von C₁ zu erreichen, sondern den maximal möglichen Wert für C₁, bezogen auf die in diesem Fall zu beachtenden Einschränkungen. Aus vorstehendem wird deutlich, daß es sehr wünschenswert ist, die Wärmeübertragungsleistung als Funktion der geometrischen Form der Kiemente bzw. Rippen an der Innenwand des Rohres voraussager, zu können.

Ausgehend von dem angegebenen Stand der Technik und von der vorstehend aufgezeigten Prob lenat U-: liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein metallisches Rippenrohr als Wärmetauscherrohr vorschlagen, welches in seinem Inneren so ausgebildet ist, aaß sich eine vorbesserte Wärmeüuertragungsleistung ergibt.

Diese Aufgabe wird durch ein Rippenrohr der eingangs beschriebenen Art gelöst, welches gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die inneren Rippen mehrgängige Rippen sind, deren Winkel mit einer zur Längsachse des Rohrs senkrechten Ebene kleiner als 60° ist, daß zwischen benachbarten inneren Rippen in Längsrichtung des Rohrs im Schnitt flache Innenwandbereiche liegen, daß die inneren Rippen ein Querschnittsprofil besitzen, welches zwei Seitenlinien umfaßt,

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'· - ■ '. - · .· - .:;_':.ο:. - nnev.w-ir.'lü-vrei jne "'.!'_ -ieri ^ Γ¹1 t ζ ο \~. oer inneren :-. ::γ··:; verb i ::·ϊο.\ ;.η.ΐ die jeweils aus einen ko: kav und einem '.■: :.'.··:·: ;;■'>·"".:-.·;>:-. Kurve η te: 1 :u?ar^orin;e3et"t sind, und daß der '.·.'·.-:. : vT ;:.l·:" --r Seitenlinie:: gegenüber der Spitze der Rippe :·::■.! i'ii. :.:.:·. außen versetzt ist ur.d in einem Abstand von der .'ν·!*.··- Ι'.-ϊ-π", der ',·:!einer als die Höhe der Rippe ist. Bei ei :.·->:■ !'•-■vorzug^er-i Ausführungsform eines Rippenrohrs gemäß der :■':·■" ::vi\inr, welches aus I-ietali besteht _s wird eine verbesserte V.'^:i:-:r.o";be:"-i:ragur.g zu der bzw. aus der im Inneren des Rohres f LI e^e.·-.:;·?:; Flüßigkeit dadurch erreicht, daß mindestens eine ar.geforr.v? äußere v;endelför*mige Rippe mit einem vorgegebenen rilrpe.'-i'-bstand und einem vorgegebenen Steigungswinkel vorgesehen Lsv., da.⁵ mehrere angeformte wendeiförmige innere Rippen vorgeso'neri sind, die von der Innenwand des Rohres in radialer Richtung nach innen anstehen, daß die inneren Rippen einen ^'leic/angsv.'inkel von weniger als 60 besitzen (gemessen bezüg-"IL jh einer Senkrechten zu der Längsachse des Rohres) und einen Abstand der einzelnen Rippen vor. einander, welcher größer ist, als der Abstand zwischen den einzelnen Rippengängen der min lest.ens einen äußeren Rippe, wobei jedoch der Steigungswinkel der mindestens einen äußeren Rippe und der Steigungswinkel der inneren Rippen in Größe und/oder Richtung von einander abweichen. Bei diesem Rippenrohr ist ferner die Innenw;i:i i des Rohres so geformt, daß sich bei einem Längsschnitt ein Profil erg. '^t, bei welchem zwischen benachbarten inneren Rippen ein flaches Zwischenstück vorhanden ist, wobei die inneren Rippen ein Querschnittsprofil besitzen, welches zwei :'e i ten! inien umfaßt, ei ie die flachen Zwischoribere icne bzw. '.'.''indbere i ehe des Rohres zwischen benachbarten Rippen mit den ..'■pitzen derselben verbinden, wobei die .'.Seitenlinien jeweils

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aus einem konkaven und einem konvexen Abschnitt zusammengesetzt sind, welche an einem Wendepunkt ineinander übergehen, welcher in radialer Richtung nach außen gegenüber der Spitze der Rippen versetzt ist und welcher in einem Abstand von dieser Spitze liegt, der geringer ist als die Höhe der Rippe.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabenstellung wird durch ein metallisches Wärmetauscherrohr gemäß der Erfindung gelöst, welches an seiner zylindrischen Innenfläche mehrgängige bzw. mehrere einzelne wendeiförmige, angeformte Rippen besiezt, was noch weitere Vorteile mit sich bringt. Die Funktion der Rippen besteht darin, die in dem Rohr fließende Flüßigkeit zu verwirbeln, so daß sich längs der Rohrwandung keine Grenzschichten bilden können, welche den Wärmeaustausch zwischen der Flüßigkeit und der Rohrwandung behindern würden. Obv/ohl bereits früher einige bedeutsame Überlegungen hinsichtlich der geometrischen Formen angestellt wurden, welche die Wärmeübcrtra£ungsleistung beeinflussen, ist es bis jetzt nicht gelungen, zwischen den geometrischen Formen und der Wärmeübertragungsleistung einen Zusammenhang herzustellen, der es ermöglichen würae, den inneren Wär ine übertragungskoeffizienten in Abhängigkeit von Veränderungen der geometrischen Formen vorauszusagen. Die US-PS 3 217 799 befaßt sich beispielsweise allein mit dem Verhältnis des axialen Abstandes zwischen benachbarten Hippen zur Höhe der Rippen als dem entscheidenden Parameter. Obwohl dieser Zusammenhang tatsächlich wesentlich ist, ist seine Kenntnis nicht ausreichend, um die günstigste Rohrgestaltung in einer Weise anzunähern, daß die innere Würmeübertragungsleistung vorausgesagt oder optimiert werden könnte.

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Eine frühere Anmeldung (amtliches Aktenzeichen P 23 10 315.3) der Anmelderin offenbart einen Zusammenhang zwischen C. und einem geometrischen Parameter, welcher als severity-factor bezeichnet ist. Dieser Parameter 0 ist eine dimensionslose Größe, welche die Rippenhöhe e, die Steigung ρ und den Innendurchmesser d. gemäß folgender Gleichung miteinander verknüpft :

0 = e^£Vpd_i (2)

In der vorstehend erwähnten früheren Anmeldung ergibt sich, daß für Rohre mit einer einzigen wendelforrr.igen inneren

Rippe ein Maximalwert für C. möglich ist und daß dieser Wert bei einem bestimmten Wert von 0 erreicht wird und nicht in einem Be?eich von V/erten für 0. Nachdem festgestellt wurde, daß der Mpximalwert für C. bei Rohren mit einer einzigen wendeiförmigen inneren Rippe dann erhalten wird, wenn 0 = 0,365 x 10 ist, ist es möglich, derartige Rohre so zu konstruieren, daß zwischen dem erreichbaren Maximalwert und dem Wert für das glatte Rohr jeder gewünschte Wert für C. erhalten werden kann.

Obwohl die Verknüpfung zwischen C. und 0 für Rohre mit einer einzigen wendelförmigen inneren Rippe entwickelt wurde,, ist diese Beziehung auch für Rohre von Interesse, an deren Innenwandung mehrere wer.delförrnige Rippen angeformt sind. Es hat sich gezeigt, daß es möglich ist, mit mehreren wendeiförmigen Rippen für einen gegebenen Wert der "severity" oder des Druckabfalls einen höheren Wärrneübertragungskoeffizienten zu erhalten, als dies bei Rohren mit einer einzigen wende 1-

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i'Oi'mi gen inneren Rippe rr.'J fl 11 cn i::'... i'.e ; der vr-i']ier;en1or. ."'.rf ladung spielt nor sever ity-f actor ¹Z¹ eine Rollo .-·. 1 s Rrihrner.e le-ent Dio vorliegende Krf i tr! ung st··.:!* I'·-!··.··!· ·:■::."■ ';■ r·;:. ': herunp? : e 3 Standes <!er Technik dar, da sie d i ■■ RoI ie der Hipper. Torrn und die Rolle der Abmessungen der Rippe:. und de:·: Rohrs bei der Verbesserung der Wä riiieübert ragungslei stung bei Rohren rr:i t mehreren wendelformigeri inneren :\ippeii V. J arct.:-1 it. Tie vorliegende E r ί' i η u UiTg b c f a ß t s i c h i η s b e r. rod e r e τη i t. i;: η e: e r: Rohr \>i a η ei u η gen, welche so gestaltet r.ind, daß e:n Querschn ittsprcfi 1 in Längsrichtung flache Zwischenstücke ".wischen inneren Rippen zeigt, wobei :-v>;isclien den R ippenspi r zev\ und den Zwischenstücken aus konvexen und konkaven Abschnitten i'.uöamnengeset'/.te Schnittiinit:η "1 i egen .

Die erwähnte iJJ-PS "'; ':81 39'l oiTenbai't verschiedene Ausführungsformen von Rohren, bei denen jeweils mehrere äußere Rippen und eine einzige innere Rippe oder Kante vorgesehen sind. Ob~ wohl der Abstand der einzelnen Rippengänge der einzigen inneren Rippe bei einem Rohr gemäß der US-PS 3 Ί31 39^ natürlich größer ist als der· Abstand aufeinanderfolgender Rippengänge der äußeren Rippen, ist die Steigung der inneren Rippe die gleiche, wie die Steigung der äußeren Rippen, da die innere Rippe gleichzeitig mit dem Einprägen der Mut erzeugt v/ird, welche zwei benachbarte äußere Rippen begrenzt. Die Verringerung des Außendurchmessers des Rohres, angrenzend an die innere Rippe, führt bei dem bekannten Rohr dazu, daß dieses weniger steif ist und damit empfindlicher für Vibrationen, als Rohre gemäß der Erfindung, bei denen der Steigungswinkel der wendeiförmigen inneren Rippen großer ist, als der Steigungswinkel der äußeren Rippen. Das verbesserte Rippenrohr gemäß

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'!er 'ιΐΛ'ϊ j ntiurin i'ühi'l auch zu titier grüir>ei-'-'ii Vurial lüiiabi'-eiU iir·! .!or· Konstruktion j da die Ο rübe, die Form, die Anzahl und der Steigungswinkel der inneren Rippen entsprechend dem Einfluß Moser Parameter auf die Wärmeübertragung und den Druckabfall gewählt werden kann und nicht durch die Form der äußeren Rippen bereits weitgehend vorgegeben ist. Das erfindurigsgemäße Rippenrohr besitzt ferner eine gleichmäßige Wandstärke unterhalb der Rippen, mit der Ausnahme derjenigen Teile, die durch innere Rippen verstärkt sind. Demgegenüber können bei dem Rippenrohr gemäß der US-P3 3 481 394, wenn dieses beispielsweise nach einem in der US-PS 3 559 '4 37 beschriebenen Verfahren hergestellt wird, dünnere Wandbereiche in der Mähe der inneren Rippen auftreten. Zur· Erzielung einer νorgegebenen Festigkeit wird also bei dem erfindungsgemäßen Rippenrohr weniger Material benötigt.

■!ach der Herstellung und der Prüfung einer Anzahl von Rippenrohren mit jeweils mehreren inneren Rippen mit unterschiedlichen Profilen und Abmessungen ist es möglich gewesen, ein nrither.at isches Modell bzw. eine Gleichung zu entwickeln, welche eine ziemlich genaue Voraussage des inneren Warmeübertrarungskü^i'f i~i enter; C. ermöglicht. Umgekehrt ist es, ν.··:·::Γ. ·:-::: bos ■: iir.nter Wert des .'.'ärmeübertragungskcef f izienten C erwünscht ist, möglich, gewisse Parameter des Rippenrohrs, wie z.H. die Fußbreite der Rippen, welche zu dem gewünschten Wert von C. führen, vorauszusagen. Innerhalb des Bereichs· der Anwendbarkeit der Gleichung scheint die Wärmeübertragungsleistung anzusteigen, wenn die Rippenhöhe vergrößert wird iipA wenn die Rippenbreite verringert wird. Es gibt jedoch

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viele Paktoren, welche die geometrische Form der inneren Binnen be^i π Π u Ren = -°>ο kann hpiapielsweise die Bearbeitbarkeit dey Metalls das Maß beschränken, in welchem das Metall des Rohrs radial nach innen vorformt werden kann, so daß die maximale Rippenhöhe begrenzt ist. Wenn schmale innere Rippen erwünscht sind, kann es sich als ein Problem erweisen, geeignete Werkzeuge zur Metallbearbeitung zur Erzeugung der inneren Rippen herzustellen. Andererseits können Rippen größerer Breite leichter hergestellt werden als schmale Rippen und erweisen sich auch als widerstandsfähiger, wenn sie in Kontakt mit einer erosiven FlUßigkeit gebracht werden. Diese Vorteile werden jedoch möglicherweise auf Kosten eines übermäßigen Materialbedarfs für das Rohr oder durch den Vorlust an zur Wärmeübertragung beitragender Oberfläche auf der Außenseite des Rohres erkauft.

Die oben angegebene Gleichung 1, welche zur Vorhersage von C. entwickelt wurdf, kann wie folgt geschrieben werden:

C₁ = 0,0264 + (22,1) (0) (1-b/p) (e/y)^1/3 (3) In dieser Gleichung bedeuten:
0 = severity factor (Gleichung 2)

b = Fuß- bzw. Basisbreite der inneren Rippen (in axialer Richtung)

ρ = Abstand zwischen den inneren Rippen, gemessen zwischen einander entsprechenden Punkten benachbarter Rippen in axialer Richtung

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e = Höhe der inneren Rippen

y = Π ippenkappenhöhe, gemessen in radialer Π ί ent un^ -/.wi sohen der Spitze der Rippe und dem Wendepunkt an der- Flanke der Rippe.

Die Gleichung ist auf Rippenrohre anwendbar, die in ihrem Inneren wendelförtnige innere Rippen besitzen, wobei zwischen benachbarten inneren Rippengängen zylindrische Innenwandbereiche liegen. Zur· Erzielung von hervorragenden Rippenrohren gemäß der Erfindung sind bei der Anwendung der vorstehenden Gleichung folgende Grenzen zu beachten: k;p sollte zwischen 0,10 und 0,20 liegen, 0 sollte kleiner sein als 0,25 x 10~ und p:v sollte zwischen 1,50 und 5,00 liegen.

Weitere Einzelheiten und Vo:·"' :.'ile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der- Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Teildarstellung eines Rippenrohrs gemäß der Erfindung, wobei der größere Teil in axialer Richtung geschnitten ist;

Fig. 2 eine graphische Darstellung des inneren Wärmeübertragungsfaktors C. als Funktion des severity factors 0 für bestimmte Rippenrohre mit mehreren wendeiförmigen inneren Rippen und flachen Wandbereichen zwischen den Rippen;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Zusammenhanges zwischen den in Versuchen ermittelten Werten des

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Wärmeühertragungsfaktors C^ und den vorausberechneten Werten für verschiedene Ripper-.rohre mit mehreren wer.delf örmigen inneren Rippen und dazwischenliegenden flachen Wandbereichen;

Fig. Ί

b i l; 7 verseniedene bevorzugte Rippenprofile, wie sie bei einem Rippenrohr vorgegebener severity verwendet werden können, wobei die Profile Querschnitte in einer zu der Rippe senkrechten Ebene sind;

Fig. 8 eine der Fig. ^r> entsprechende Darstellung für eine verbreiterte Rippe, wobei der Querschnitt in axialer Kichtung gelegt ist;

Fig. ?

bis 11 graphische Darstellungen, welche den anhand der Gleichung 3 errechneten Einfluß von Änderungen des severity factors (d und des Verhältnisses der Kippenabir.essungen b:p sowie e:y auf d^n inneren V/är-üioübertragungsfaktoi· 'Z. verdeutlichen und

Fig. 12 eine graphische darstellung der Abhängigkeit des inneren V.'ärineübertragungsfaküors vom Druckab/all für zwei verschiedene Rippenrohre mit wendeiförmigen inneren Rippen.

Tm einzelnen zeigt der axiale Schnitt durch das erfindungsgemäße Rippenrohr 10 in Fig. 1, daß das Rippenrohr 10 mehrere äußere Kippen 12,1*1 und mehrere innere Rippen 16,18

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ν.;:'·.·:·'.:ξι. ΓΊ-i "•u/.ei'en Rippen 12,1¹I und die inneren Rippen 1 ■ , --^: ·.·;-:·!· it:-.-·. νorzugz-v.--.?; se gleichzeitig an den Wandbereich 20 :·.·-■ :·.!: : -·.·.:·' ::r_: 1.' v.r-'f ".r.-r.r. _s vr'ihrond sich ir. Inneren des :-. :yy··"':.:·'::rr ein rr't :.^:ute:: versehener Dorn (nicht dargestellt) ':■·:"::.:·_·".. !'! e Ir.r.er.war.d 22 des Rippenrohrs lCjist zylindrisch :■."". .·". .:·:.■":!·.:".·? 1^r Unterbrechungen durch die inneren Rippen 1' ,1:. Die breite der inneren Rippen ist mit b bezeichnet, 'i-i-r Ab.«'..:"!rd ::;■:: sehen benachbarten inneren Rippen ist mit ρ V.-.-ze icn::e" und d.er Steigungswinkel der Wendel ist mit θ be- :".·-■-■! ::ir.■-··., v.-jbei © gegen eine zur Rohrachse senkrechte Ebene r-.>-;-s.;e:. v;ird .

!'■:·- e i nr.rilnen Parameter wurden für ein tatsächlich herger.teliteo Rippenrohr gemäß der Erfindung, wie es im Schnitt ::. i-'ig. .1 g^zeig*" ist, wie folgt gewählt:

-■ = \:''7^J,"; ρ = Ο,3'·3"; d, = 0,820"; 0 = 0,116 Χ 10~²; • = -Λ ,->·"--■»"; y = 0,0089"; b/p = 0,2; e/y = 2,00; C. (vorherge-

z-ir/r< = "i,052; C. (gemessen) = 0,0₅2; β = yf; Zahl der Ι';;':.;:·.-on Rippen = 3; Zahl der inneren Rippen = 6; Material = ':'.up for.

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung des severity factors 7<, : ezogen auf den inneren Wärmeübertragungsfaktor C. für oino Anzahl von Rohren. Die untere Kurve 2b stellt die Lo ".-, tungs linie für Rippenrohre dar, welche eine einzige v.'en'l·' 1 förmige Rippe besitzen und welche ein gekrümmte^ Innenv/.'ir.dnr'ofi 1 besitzen, wie es in der früheren Anmeldung (.·<::.' : .iohes Aktenzeichen P 23 10 315-3) offenbart, ist. Die obero Linie 28 stellt die Leistungslinie für ein Rippenrohr la:¹, welches mehrere wendeiförmige innere Rippen besitzt und

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welches zwischen den Rippen flache Innenwandbereiche aufweist. Die Kurven 26 und 28 schneiden sich an dem Punkt C- - 0,0264, d.h. bei dem Wert für Rohre mit glatter Innenwand, wo 0=0 ist. Ganz allgemein zeigen die Linien 26 und 28 die Wärmeübertragungscharakteristik der Rohre und das im Vergleich zu einem Rohr mit glatter Innenwand erreichbare M ε H, der Verbesserung. Der Zusammenhang zwischen Wärmeübertragung und Druckabfall wird aus Fig. 12 deutlich, wo der Zusammenhang zwischen dem Wärmeübertragungsfaktor C. und dem Reibungsfaktor f dargestellt ist. Der Druckabfall ist dem Reibungsfaktor direkt proportional, wenn man Rohre vorgegebenen Durchmessers bei der gleichen Reynolds-Zahl vergleicht. Die Verbesserung des Wärmeübertragungsfaktors C. für einen gegebenen Druckabfall und für Rohre gemäß der Erfindung (für welche die Linie 29 gilt) im Vergleich zu den vorbekannten Rohren (für die die Linie 30 gilt) wird aus Pig. 12 deutlich. Die früher vorgeschlagenen Rohre,für die die Linie 30 gilt, sind in der vorstehend erwähnten früheren Anmeldung beschrieben und besitzen eine einzige wendeiförmige innere Rippe und ein gekrümmtes Innenwandprofil.

Fig. j zeigt eine graphische Darstellung des experimentell ermittelten inneren Wärmeübertragungsfaktors C. gegenüber dem ,lniiand der Gleichung 3 ermittelten inneren v/ärmeübertragungsf.iktors C. für mehrere ei'fi ndungsgemäße Rippenrohre mit jeweils mohreren wendeiförmigen inneren Rippen und mit flachen ! nr.'tiwandbere i chen zwischen den Rippengängen sowie für unterschiedliche Rippenformen. Aus der graphischen Darstellung ergibt sich * ? L11 sehr genauer Zusammenhang zwischen den voraus·

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gesagten und den experimentell ermittelten Werten, da die verschiedenen den Versuchen entsprechenden Punkte, insbesondere .In dem Bereich für C.- 0,0'Ib sehr dicht an der Linie 32 liegen, so daß man von einer praktisch vollkommenen Verknüpfung durch die Gleichung 3 sprechen kann. Wie aus den Gleichungen 2 und 3 deutlich wird, spielen die Höhe, die Breite, da^ Form und der Abstand der Rippengange der inneren Rippen I6,l8 alle eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung des Wärmeübertragungsfaktors und des Druckabfalls eines bestimmten Rippenrohrs.

Die Fig. l) bis 7 zeigen vier verschiedene Rippenprofile, welche in einer zur Rippenachse senkrechten Ebene ermittelt wurden, wobei alle Rippen die gleiche breite b (cos θ) und die gleiche Rippenhöhe e besitzen, welche bei den gezeigten Profilen -■ b(cos θ)/2 ist. Jedes der Rippenprof ile gemäß Fig. 4 bis 7 besitzt eine Seitenlinie, welche aus einem konkaven Kurventeil 36 und einem konvexen Kurventeil 38 zusammengesetzt ist. Die Kurventeile 36,38 stoßen im Bereich eines Wendepunktes 'JO aneinander. Die im Profil gezeigten Rippen ΊΊ, welche durch die Kurventeile 36 und 38 begrenzt werden, besitzen eine Rippenkappe 46, deren Höhe y gleich dem radialen Abstand zwischen a?r Rippenspitze Ί8 und dem Wendepunkt 'IO ist. Die Rippen ΊΊ besitzen ferner eine Rippenbasis 50, welche eine Breite b (cos θ) und eine Höhe e-y besitzt. Die verschiedenen Rippenprofile in den Fig. Ί bis 7 unterscheiden sich durch unterschiedliche Höhen y der Rippenkappen 46, wobei in den vier Figuren das Verhältnis von e:y = 1,50, 2,00, 3,00 bzw. '4,00 ist. Das in Fig. 8 gezeigte Rippenprofil ist mit demjenigen gemäß Fig. 5

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icieri Li sc-h nit der Ausnahme, ά'ι'λ die ':'.'. pier-i-tar pe und die
Rippenbasis um die Länge i"._ (c'<c ^) breiler .:. i::d, wobei die Lär.f/· :\_ d· r lire "·.·■· -:e;-. f'.a ■::··:. R i :r· ·:.·-:. \--δ ■· ί -:·γΛ .· rricht . Da die FLc. % ei:-"-:: .".;·;».· rs ch:: Lt "· r;:¹ ·:: die iiippe ",Vi^:, wie er cioh in axirtlei- :ii cht'i::^ "r-^ib· , W'-ivieri di-· ir; Fir. 5 vorhrtridenep r'.rt.· i sb"-f*eM !:; Fir. ^l< ::u >· i 1 i ] Ί ' :.-. ?h<~-r. :-."ζοη , Vielehe - ini * i\ (cos ei) - u in d».-:i F.·;',·· " :· !/ · .· ~ ν er 1 .^:!:.£*ert sind.
Bei einem Rippenre'nr tp.j·, ce^-djener! '.-.-.-rte:. rilr ;er: severity factor lüiii den Abstarid ::yjs;-;.'.'!i d'"-^vi R i pperir\'!r::?e:· führ't die breitere basis M^ r r-i Ippo:inr"f i is j'er.^:ir·. ?ip*. R "u einem niedrigeren Vläi'meiiberf.i'a.runnsi-'.oe-f f iz i'Mi'-'ü als d^n Profil
gemäß Fig. ·>, wobei, sich jedo.,'h f ert i gungstechnisch Vorteile er· ge bei). Es ist beispielsweise einfacher, einen Dorn mit
breitereii Nuten herzustellen, als einen Dorn mit schnalen
Nuten. Ferner ist es einfacher·, das ΐ·'··1,α11 des gla'.'eri Rohres bei der Herstellung ...es Ri ppenr obres so v.u vei'dringt^n, daß sich breite Rippen ergeben und keine schmalen Rippen. Wenn durch das Rippenrohr eine erodierende oder korrodierende
PJüßigkeit geleitet werden soll, ergibt sich ferner bei
breiteren Rippen eine geringere Abnutzung. Es ist ziemlich schwierig, in einen Dom Nuten e.inzuschleifen, die zu den gekrümmten Profilen gemäß Fig. >\ bis 8 führen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß befriedigende Ergebnisse auch dann erhalten werden können, wenn die Kurventeile 36,38 durch gerade Linien angenähert v/erden, wie dies beispielsweise in Fig. durch die gestrichelten Linien 36¹, 36'' und 38', 38'' angedeutet ist. Der Vorteil der Annäherung der Kurven durch · gerade Linienteile besteht darin, daß die sehr dünnen Schleifscheiben, welche zur Herstellung der Muten in dem Dorn verwendet werden, mit geraden Schleifkanten versehen werden

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können, welche leichter herzustellen und leichter aufrecht zu '.M'hri i'-en aim]., als gekrümmte Profil».

Pig. 9 zeigt eine graphische Darstellung des Zusammenhangs ;^t.w lachen ötin severity factor 0 und dem Wärmeübertragungskoeff 1 dienten C. entsprechend der Gleichung 3> v:obei 1 ür b:p der Wert 0,15 angenommen ist, während e:y den Parameter bildet, Die graphische Darstellung zeigt, daß für einen vorgegebenen Wert des severity factors 0 der Wert von C. ansteigt, wenn das Verhältnis e:y von 1,5 auf 5,0 erhöht wird. Die Linien 51, 5?, 5'i und 55 entsprechen aen Werten 1,5-, 2.; 3 und 5 für das Verhältnis e:y. Mit Hilfe von graphischen Darstellungen, wie sie Fig. 1 zeigt, kenn man leicht die Rippenform ermitteln, die gewühlt werden muß, um bei einem bestimmten severity factor und für ein bestimmtes Verhältnis von b:p eir.en gegebenen Würmeübertragungsfaktor C. zu erhalten. Aus Fig. 9 ergibt: z\z\\ beispie lsv:eise , laß bei einem st?verity factor von 0 j 15 :■: 10 '" für '?. ein Viert von 0,067 erhalten werden r.üfite, wenn man eine Rippenform mit einem Verhältnis e:y = ·, ,0 v/fihlt, v/ie di is Fig. 7 zeigt. Die leichter herzustellerde, eine breitere Rippenkappe besitzende Rippe gemäß Fig. k, bei v.'elcher e/y = 1 ,5 ist v;ürde für einen severity factor von C , 1-} χ 10 " i:u einem Wärmeübertragungsfaktor C. = 0,059

Fig. Vj zeigt eine der Fig. 9 ähnliche graphische Darstellung der Zusammenhänge gemäß Gleichung 3, wobei C. über verschiedenen Verhältnissen von b:p aufgetragen ist. Die Darstellung genäfi» Fig. 10, welche für einen konstanten Wert des severity

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factors von 0 = 0,1 χ 10 gilt, zeigt an, daß der Wert von

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	b	- 18 τ	f3 Γ V Fl Y> Π Ί JTiTTj f^ _ V/θ Π Π riss	22
Λ '107^1
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Γ Hr- i

hältnis b:p ansteigt. Die Linien 62 und 63 gölten für ein Verhältnis e:y = 2 bzw. 5. Die graphische Darstellung macht somit deutlich, daß die Wärmeübertragungsleistung verbessert wird, wenn man die Breite b der Rippen gegenüber dem Abstand ρ derselben verringert.

Fig. 11 zeigt eine den graphischen Darstellungen gemäß Fig. 9 und 10 ähnliche graphische Darstellung, in welcher unte_r Zugrundelegung der Gleichung 0) C.. über verschiedenen Werten von e:y aufgetragen ist. Die Darstellung gemäß Fig. 11 gilt

-ρ für einen festen Wert des severity factors 0 von 0,1 χ 10 Man erkennt, daß für ein gegebene« Vorh'ilt.nis b:p der 'Wert von C. ansteigt, wenn das Verhältnis e:y größer wird. Die Linien 71 und 72 entsprechen dem Verhältnis b:p = 0,1 bzw. 0,2.

Aus der Gleichung 3 und den Fig. 9 bis 11 wird deutlich, daß es möglich ist, ein mit äußeren Rippen versehenes Rippenrohr, welches mehrere innere wendeiförmige Rippen aufweist, wobei zwischen den einzelnen Rippengängen flache Innenwandbereiche liegen, so zu gestalten, daß sich gegenüber dem Stand der Technik eine Verbesserung ergibt und ferner so, iaß sich für den Wärmeübertragungskoeffizienten C^ ein bestimmter Wert ergibt. Wenn man beispielsweise annimmt, daß ein Rohr einen Innendurchmesser von 0,8" besitzt und daß der Wärmeübertragungskoeffizient C. aufgrund der gegebenen Verhältnisse = 0,056 sein soll, dann kann wie folgt vorgegangen werden, um die Breite b der Rippe zu ermitteln:

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A '«0781 b

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a) Es soll angenommen werden, daß die maximal mögliche Rippenhöhe e = O_,O17^r>" ist* und zw«"\r aufgrund d<=r bekannten Beschränkungen bei der Metallbearbeitung.

b) Ferner soll angenommen werden, daß der geringste nippenabstand ρ, welcher mit sechs wendeIförmigen Rippen erreichbar ist = 0,3" ist. Der Steigungswinkel der Rippen ergibt sich dann automatisch, wenn der Rohrdurchmesser, die Rippenhöhe, die Anzahl der wendeiförmigen Rippen und der Rippenabstand bekannt sind.

c) Aus der Gleichung 2 wird der Wert 0 errechnet. Dabei ergibt sich: 0 = e²/?a_i = 0,128 χ ίο"².

d) Die Rippenform wird so ausgewählt, daß e:y - 2, wie dies Fig. 5 zeigt, da derartig kippen einerseits gut herstellbar und andererseits ausreichend widerstandsfähig sind.

e) Die Gleichung 3 wird gelöst:

C_± = 0,026') + 22,1 (0) (1-b/p) fe/y]^1/3

0,056 = 0,0264 + (22,1) (O,OO128)(l-b/p)(2)^1/3 1-b/p = 0,833
b/p = 0,167-da ρ = 0,3
folgt, b = 0,167 (0,3) = 0,050"

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Claims (5)

A 4O78l b k -103 27.Juni 1974 - 20 - Sprüche

1) Rippenrohr mit angef or raten äußeren und inneren Rippen, die von der Rohrwandung radial nach außen bzw. innen abstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Rippen (44) mehrgängige wendelförmige Rippen sind, deren Winkel mit einer zur Längsachse des Rohrs senkrechten Ebene kleiner als 60 ist, daß zwischen benachbarten inneren Rippen (44) in Längsrichtung des Rohrs im Schnitt flache Innenwandfcereiche (22) liegen, daß die inneren Rippen ein Querschnittsprofil besitzen, weiches zwei Seitenlinien umfaßt, die die flachen Inntnwandbereiche (22) mit den Spitzen (48) der inneren Rippen (44) verbinden und die jeweils aus einem konkav und einem konvex gekrümmten Kurventeil (36,38) zusammengesetzt sind, und daß der Wendepunkt (40) der Seitenlinien gegenüber der Spitze (48) der Rippen (44) radial nach außen versetzt ist und in einem Abstandfyj von der Spitze (48) liegt, der kleiner ist, als die Höhe ie)der Rippe,

2) Rippenrohr nach Anspruch 1 mit mindestens einer äußeren angeformten wendeiförmigen Rippe mit eine·*¹ . vorgegebenen Abstand zwischen den Rippengängen und einem vorgegebenen Steigungswinkel, dadurch gekennzeichnet, daß die wendelfönnigen inneren Rippen einen Abstand zwischen den Rippengängen besitzen, welcher

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.Jui_:L 1'Ί7·Ί - 21 -

größer ist, als dor- Abstand ::wi::chen den Rippenränren eier mindestens einen äußere:: Rippe ΠΓ',Ι'ί) und d^f; die i-'t-MPLincsYiinkel dor r.i ndea tons einer; ^:!u!Vjrⁿ:i Rippe (12, I^:'! ) und der inner·?:"¹. Rippe:: ■' 1'. , 1 ο , ^:· ■· ' in nrößo und/oder Richtung νer3chi edο:: sir:d .

3) Rippenrohr nach Anspruch 1 mil ringförni re:i äußerer. Rippen, lie in Längsrichtung einen vorgegebenen Abstand voneinander besitzen, a?.-lurch gekennzeichnet, daß der Abstand der EIppeng.änge der innerenHi pr.er. (-'^) größer ist η Ig der Abstand -wischen der: .äußer-n Rippen (12,1¹I).

Ό Rippenrohr nach Anspruch 1 bis ^T», dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Ri p*-,enbrei te (b) in axialer Richtung zum Abstand (p) -er Rippengänge zwischen 0,10 und 0,20 liegt, daß das Verhältnis der Rippenhöhe (e) zum Abstand (y) des Wendepunktes (Ί0) von der Spitze der Rippe ('4*0 zwischen 1,SO und '3,0 liegt und daß der Wert des severity-factors (0) kleiner ist als 0,0025, wobei ΐ - e^/pd. und wobei d.der maximale Innendurchmesser des Rippenrchrs ist.

5) Rippenrohr nach Anspruch 'ί, dadurch gekennzeichnet, daß für den inneren Wärmeübertragungskoeffizienten C. die folgende Gleichung gilt:

C = O,O26'I + (22,1) (0) (1-b/p) (e/y)^1/5, wobei 0 im Bereich zwischen 0,00057 und 0,0025 liegt; wobei e im Bereich zwischen 0,0125 und 0,075 liegt; wobei ρ im Bereich zwischen 0,25 und 0,70 lieft; wocei d^ im Bereich zwischen 0,20 und 3,00 liegt; wobei b ir. Bereich zwischen 0,02 und 0,15 liegt und wobei y im Bereich zwischen 0,0065 und 0_s05 liegt.