EP0017202A2 - Wärmeaustauscher - Google Patents

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EP0017202A2
EP0017202A2 EP80101693A EP80101693A EP0017202A2 EP 0017202 A2 EP0017202 A2 EP 0017202A2 EP 80101693 A EP80101693 A EP 80101693A EP 80101693 A EP80101693 A EP 80101693A EP 0017202 A2 EP0017202 A2 EP 0017202A2
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inflow
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/12—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically the surrounding tube being closed at one end, e.g. return type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for heat exchange with at least one tube provided with a number of annular ribs, with a guide body closely surrounding the ribs and an inflow nozzle and an outflow nozzle.
  • Such an arrangement is known from FR-PS 20 58 516.
  • the problem with such heat exchangers is to bring the gases or liquids to be cooled or heated into as good a contact as possible with the heat exchange surface.
  • the width of the inlet opening and the outlet opening is the same. It is about twice the height of the fins of the finned tube.
  • the outflow nozzle is designed there as a diffuser.
  • the width of the inflow nozzle first decreases in the direction of the flow direction to a minimum value E and then increases again by a small amount.
  • the proposed arrangement considerably improves the heat transfer values between the heat-carrying medium and the finned tubes.
  • Another advantage of the proposed arrangement is the lower tendency to contamination, because the heat exchange tube is completely flowed around, so that, as in known arrangements, parts of the exchange surface are not in the "dead water" of the flow.
  • the height r of the ribs of the tube is approximately 0.15 to 0.3 times the diameter of the tube. With these values, the rib efficiency is particularly favorable. It is also advantageous according to the invention that the diameter of the tube is at least 70 mm and the minimum thickness of a rib is 1.5 mm. With this: value-increasing pipe diameter increases the heat transfer.
  • the guide bodies consist of two sheet metal bodies which are bent in a semicircular shape and are fastened in a housing.
  • the guide bodies consist of sheet metal parts bent in a quarter circle, the inflow openings lying opposite one another and the inflow openings being spatially offset from one another by approximately 90 ° with respect to the outflow openings.
  • the outflow opening of the outflow channel is formed from sheet metal parts running in parallel.
  • a further tube is provided which is arranged concentrically to this and which is connected via a flange to a further flange arranged on the finned tube.
  • This arrangement allows the inner tube to be easily removed, which allows convenient control of the inner exchange surface in heat exchangers which are subject to a safety check.
  • the outer tube is conveniently closed at its end with a bottom.
  • the ribbing and the outer tube only extend over part of its length.
  • the cross-section of the non-finned part of the tube is expanded and a flange that can be connected to a housing and a pipe socket are arranged on this part.
  • 5 denotes the finned tube, on which annular fins 3 are arranged. It is surrounded by two semicircular guide bodies, which are designed as S-flow guide plates 4 in FIG. 1, so that an annular gap 2 is formed between the guide plates 4 and the tube 5.
  • the two flow guide plates 4 merge in the axial direction into an inflow nozzle 1, which runs parallel to the finned tube 5 and has an inflow opening 1. 1 and an outflow opening 1.2.
  • the inflow nozzles 1 and the outflow channels each consist of sheets which are fastened to a housing 21.
  • the width E of the inflow nozzle 1 first decreases in the direction of the flow direction to a minimum value E and then increases again by a small amount.
  • the smallest width of the inlet opening 1.1 of the nozzle is smaller than the diameter of the tube 5. Very favorable heat transfer values can be achieved if the width of the inlet opening corresponds approximately to the difference between the sizes of the tube diameter d and the simple height r of a rib 3.
  • the width A of the outflow opening 1.2 of the outflow channel is smaller than that of the inlet opening 1.1. Very favorable heat transfer values can be achieved with a width A of the outlet opening 1.2 if this corresponds approximately to twice the height r of a rib 3.
  • the flow guide plates are each designed in a quarter circle and the two inflow openings lie opposite one another, while the two outflow openings are each offset by 90 ° with respect to the outflow openings.
  • a second tube 6 is arranged concentrically to the finned tube and fixed in position by spacers 7.
  • One end of the finned tube 5 is closed by a bottom 8.
  • the ribbing of the outer tube 5 extends only over part of its length. It increases in diameter outside the ribbing and ends in a flange 14 which is connected to a flange 15 of the inner tube 6.
  • a pipe socket 10 is arranged on the non-finned part of the pipe 5, through which one of the two gases or liquids can flow out.
  • the finned tube 5 is provided in its wider section 3.1 with a further flange 16 which is connected to the flange 13 of a housing 21.
  • a further flange 16 which is connected to the flange 13 of a housing 21.
  • the gas or liquid flows into the housing from the left in the direction of the arrow in FIG. 1 and is passed through the displacer plates 1 into the annular gap 2 between the finned tube 5 of the flow guide plates 4.
  • the gas or the liquid enters from two opposite points - and flows around the finned tube only by 90 ° in order to emerge again at the two outlet openings 1.2.
  • This arrangement is particularly advantageous in the case of pulsating flows, since the flow against two sides of vibrations is prevented.
  • the direction of flow of the second liquid or of the second gas is indicated by arrows.
  • the gas enters the inner tube 6 from the right, reverses its direction at the bottom 8 of the finned tube 5 and flows back into the space between the finned tube 3 and the inner tube 6 and leaves the interior of the finned tube 3 through the pipe socket 10.
  • the heat exchange tube can be conveniently pulled out of the housing 12 after loosening the housing flange connection 13.
  • the expansion of the inner tube 6 is possible by loosening the flange connection 14, so that simple assembly and inexpensive maintenance and cleaning of the heat exchanger is possible.

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Abstract

Anordnung zum Wärmeaustausch mit mindestens einem mit einer Anzahl von kreisringförmigen Rippen (3) versehenen Rohr (5), mit einem die Rippen eng umschließenden Leitkörper (4) und einer Einströmdüse (1) und einer Ausströmdüse (1.2). Die zu kühlenden oder zu erhitzenden Gase oder Flüssigkeiten werden in besonders guten Kontakt zur Wärmeaustauschfläche durch eine verbesserte Umströmung der Wärmeaustauschfläche gebracht, womit der Wärmeaustauscher mit weniger Rohren bei gleicher Leistung gegenüber konventionellen Wärmeaustauschern auskommt, indem folgende Maßnahmen getroffen werden: die Höhe der Rippen (3) des Rippenrohres (5) ist kleiner als der Durchmesser des Rohres, die Breite E der Einströmöffnung (1.1) der Einströmdüse (1) ist kleiner als der Durchmesser (d des Rohres (5), die Breite A der Ausströmöffnung (1.2) des Ausströmkanales (1) ist kleiner als die der Eintrittsöffnung (1.1) der Einströmdüse (1).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Wärmeaustausch mit mindestens einem mit einer Anzahl von kreisringförmigen Rippen versehenen Rohr , mit einem die Rippen eng umschließenden Leitkörper und einer Einströmdüse und einer Ausströmdüse. Eine solche Anordnung ist aus der FR-PS 20 58 516 bekannt.
  • Bei solchen Wärmeaustauschern besteht das Problem, die zu kühlenden oder zu erhitzenden Gase oder Flüssigkeiten in möglichst guten Kontakt zur Wärmeaustauschfläche zu bringen. Bei der oben erwähnten bekannten Anordnung ist die Breite der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung gleich groß. Sie beträgt etwa das Doppelte der Höhe der Rippen des Rippenrohres. Außerdem ist dort die Ausströmdüse als Diffusor ausgebildet. Bei dieser bekannten Anordnung ergibt sich bereits gegenüber konventionellen Anordnungen eine verbesserte Umströmung der Wärmeaustauschfläche. Sie ist jedoch bei Rohren größeren Durchmessers aus strömungstechnischen Gründen, insbesondere wegen der sehr starken Beschleunigungen des strömenden Mediums im Bereich der Einlaufdüse und der damit verbundenen Strömungswiderstände ungünstig.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, die oben beschriebene Anordnung im Sinne einer weiteren Verbesserung der Umströmung der Wärmeaustauschfläche und einer Verminderung des Strömungswiderstandes weiterzubilden, um eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und eine Verbesserung des Wärmeüberganges zu erreichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Demontage der Rohre und damit die Beseitigung von Verschmutzungen zu erleichtern.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Anwendung der folgenden Merkmale gelöst:
    • a) die Höhe der Rippen des Rippenrohres ist kleiner als der Durchmesser des Rohres,
    • b) die Breite E der Einströmöffnung der Einströmdüse ist kleiner als der Durchmesser des Rohres,
    • c) die Breite A der Ausströmöffnung des Ausströmkanales ist kleiner als die der Eintrittsöffnung der Einströmdüse.
  • Die Breite der Einströmdüse vermindert sich zuerst in Richtung der Strömungsrichtung auf einen kleinsten Wert E und vergrößert sich dann wieder um einen geringen Betrag.. Durch die vorgeschlagene Anordnung werden die Wärmeübergangswerte zwischen dem wärmeführenden Medium und den Rippenrohren beträchtlich verbessert. Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung ist die geringere Neigung zu Verschmutzungen, weil das Wärmeaustauschrohr voll umströmt ist, daß also nicht wie bei bekannten Anordnungen Teilbereiche der Austauschfläche im "Totwasser" der Strömung liegen.
  • Dabei beträgt erfindungsgemäß die Höhe r der Rippen des Rohres etwa das 0,15- bis 0,3-fache des Durchmessers des Rohres. Mit diesen Werten wird der Rippenwirkungsgrad besonders günstig. Weiterhin ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, daß der Durchmesser des Rohres mindestens 70 mm und die Mindeststärke einer Rippe 1,5 mm beträgt. Mit von dieser.: Wert ausgehender Vergrößerung des Rohrdurchmessers verbessert sich der Wärmeübergang.
  • In zweckmäßiger Weise ist vorgesehen, daß die Leitkörper aus zwei in einem Gehäuse befestigten halbkreisförmig gebogenen Blechkörpern bestehen.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Leitkörper aus viertelkreisförmig gebogenen Blechteilen bestehen, wobei sich die Einströmöffnungen und gegenüber liegen und die Einströmöffnungen gegenüber den Ausströmöffnungen jeweils um etwa 90° räumlich versetzt gegeneinander angeordnet sind.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ausströmöffnung des Ausströmkanales aus parallel verlaufenden Blechteilen gebildet ist.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß innerhalb des Rippenrohres ein konzentrisch zu diesem angeordnetes weiteres Rohr vorgesehen ist, welches über einen Flansch mit einem weiteren am Rippenrohr angeordneten Flansch verbunden ist.
  • Diese Anordnung erlaubt es, das Innenrohr leicht herauszunehmen, was eine bequeme Kontrolle der inneren Austauschfläche bei Wärmeaustauschern, welche einer sicherheitstechnischen Kontrolle unterliegen, gestattet.
  • Bei dieser Ausführungsform ist in zweckmäßiger Weise das äußere Rohr an seinem Ende mit einem Boden verschlossen.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß sich die Berippung und des äußeren Rohres nur auf einen Teil seiner Länge erstreckt.
  • Dabei ist an der nicht berippten Partie des Rohres dessen Querschnitt erweitert und an dieser Partie ist ein mit einem Gehäuse verbindbarer Flansch sowie ein Rohrstutzen angeordnet.
  • Weitere Ausbildungsformen der Erfindung sind aus den beiden Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
  • Es zeigen: ,
    • Fig. 1 einen Querschnitt durch einen in ein Gehäuse eingebauten Wärmeaustauscher nach der Erfindung,
    • Fig. 2 einen Querschnitt durch einen von zwei Seiten angeströmten Wärmeaustauscher nach der Erfindung,
    • Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Wärmeaustauscher nach der Erfindung.
  • In den Zeichnungen ist mit 5 das Rippenrohr,auf dem ringförmige Rippen 3 angeordnet sind, bezeichnet. Es ist von zwei halbkreisförmigen Leitkörpern, die bei Fig. 1 als S-trömungsleitbleche 4 ausgebildet sind, umgeben, so daß zwischen den-Leitblechen 4 und dem Rohr 5 ein Ringspalt 2 entsteht. Die beiden Strömungsleitbleche 4 gehen in axialer Richtung in eine parallel zum Rippenrohr 5 verlaufende Einströmdüse 1 mit einer Einströmöffnung l.l und eine Ausströmöffnung 1.2 über. Die Einströmdüsen 1 sowie die Ausströmkanäle bestehen jeweils aus Blechen, die an einem Gehäuse 21 befestigt sind. Die Breite E der Einströmdüse 1 vermindert sich zuerst in Richtung der Strömungsrichtung auf einen kleinsten Wert E und vergrößert sich dann wieder um einen geringen Betrag.
  • Die kleinste Breite der Einströmöffnung 1.1 der Düse ist kleiner als der Durchmesser des Rohres 5. Sehr günstige Närmeübertragungswerte lassen sich erreichen, wenn die Breite der Einströmöffnung etwa der Differenz der Größen des Rohrdurchmessers d und der einfachen Höhe r einer Rippe 3 entspricht.
  • Die Breite A der Ausströmöffnung 1.2 des Ausströmkanales ist kleiner als die der Eintrittsöffnung 1.1. Sehr günstige Wärmeübertragungswerte lassen sich bei einer Breite A der Austrittsöffnung 1.2 erreichen, wenn diese etwa der zweifachen Höhe r einer Rippe 3 entspricht.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung sind die Strömungsleitbleche jeweils viertelkreisförmig gestaltet und die beiden Einströmöffnungen liegen sich gegenüber, während die beiden Ausströmöffnungen um jeweils 90° gegenüber den Ausströmöffnungen versetzt angeordnet sind.
  • Innerhalb des Rippenrohres 5 ist ein zweites Rohr 6 konzentrisch zum Rippenrohr angeordnet und durch Distanzstücke 7 in seiner Lage fixiert. Das eine Ende des Rippenrohres 5 ist durch einen Boden 8 verschlossen. Die Berippung des äußeren Rohres 5 erstreckt sich nur über einen Teil seiner Länge. Es vergrößert sich außerhalb der Berippung in seinem Durchmesser und endet in einem Flansch 14, der mit einem Flansch 15 des inneren Rohres 6 verbunden ist.
  • Weiter ist an der nicht berippten Partie des Rohres 5 ein Rohrstutzen 10 angeordnet, durch welchen das eine der beiden Gase oder Flüssigkeiten abströmen kann.
  • Das Rippenrohr 5 ist in seiner breiteren Partie 3.1 mit einem weiteren Flansch 16 versehen, der mit dem Flansch 13 eines Gehäuses 21 verbunden ist. In der Regel werden mehrere Gehäuse zu einem Rohrbündel zusammengebaut.
  • Das Gas oder die Flüssigkeit strömt in der Figur 1 von links in Richtung des Pfeiles in das Gehäuse ein und wird durch die Verdrängerbleche 1 in den Ringspalt 2 zwischen dem Rippenrohr 5 der Strömungsleitbleche 4 geleitet.
  • Es umströmt ablösungsfrei die gesamte äußere Wärmeaustauschfläche des Wärmeaustauschrohres, welche aus der freien Fläche des Rippenrohres 5 und der aufgebrachten Berippung 3 besteht.
  • Das Gas oder die Flüssigkeit tritt aus der rechten Seite wieder aus, wobei die Verdrängerbleche 1 die strömungstechnischen Abströmverluste verringern. Durch die besondere oben geschilderte Dimensionierung der Öffnungen des Rohres und der Rippen ergeben sich gegenüber bekannten Rohren wesentlich verbesserte Wärmeübertragungswerte. Bei -Versuchen mit den angegebenen Werten hat sich gezeigt, daß -bei gleichem Raumbedarf und gleichem Materialbedarf im günstigsten Falle etwa eine Verdoppelung gegenüber konventionellen Wärmeaustauschern erzielbar ist.
  • -Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung tritt das Gas bzw. die Flüssigkeit von zwei gegenüberliegenden Stellen - aus ein und umströmt das Rippenrohr nur um jeweils um 90° um an den beiden Austrittsöffnungen 1.2 wieder auszutreten. .Diese Anordnung ist insbesondere bei pulsierenden Strömungen durch von Vorteil, dadurch die Anströmung von zwei Seiten Schwingungen verhindert werden.
  • In dem in Fig. 3 dargestellten Längsschnitt eines Wärmeaustauschrohres ist durch Pfeile die Fließrichtung der zweiten Flüssigkeit oder des zweiten Gases angedeutet. Das Gas tritt in das Innenrohr 6 von rechts ein, kehrt am Boden 8 des Rippenrohres 5 seine Richtung um und strömt in den Zwischenraum zwischen dem Rippenrohr 3 und dem inneren Rohr 6 zurück und verläßt den Innenraum des Rippenrohres 3 durch den Rohrstutzen 10.
  • Das Wärmeaustauschrohr kann nach Lösen der Gehäuseflanschverbindung 13 aus dem Gehäuse 12 bequem herausgezogen werden. Der Ausbau des Innenrohres 6 ist durch Lösung der Flanschverbindung 14 möglich, so daß eine einfache Montage und eine kostengünstige Wartung und Reinigung des Wärmeaustauschers möglich ist.

Claims (10)

  1. l. Anordnung zum Wärmeaustausch mit mindestens einem mit einer Anzahl von kreisringförmigen Rippen (3) versehenen Rohr (5), mit einem die Rippen (3) eng umschließenden Leitkörper (4) und einer Einströmdüse (1) und eines Ausströmkanales (1.2), gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    a) die Höhe der Rippen (3) des Rippenrohres (5) ist kleiner als der Durchmesser des Rohres (5),
    b) die kleinste Breite (E) der Einströmöffnung (1.1) ist kleiner als der Durchmesser (d) des Rohres (5),
    c) die Breite (A) der Ausströmöffnung (1.2) des Ausströmkanals ist kleiner als die (E) der Eintrittsöffnung (1.1) der Einströmdüse (l).
  2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (E) der Einströmöffnung (1.1) höchstens die Differenz zwischen dem Durchmesser (d) des Rohres (5) und der einfachen Höhe (r) einer Rippe (3) beträgt.
  3. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (A) der Austrittsöffnung (1.2) etwa der zweifachen Höhe (r) einer Rippe (3) entspricht.
  4. 4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (r) der Rippen (3) des Rohres (5) etwa das Q,15- bis 0,3-fache des Durchmessers des Rohres (5) beträgt.
  5. 5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Rohres (5) mindestens 70 mm und die Mindeststärke einer Rippe (3) 1,5 mm beträgt.
  6. 6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkörper (4) aus zwei in einem Gehäuse befestigten halbkreisförmig gebogenen Blechkörpern (4) bestehen (Fig. 1).
  7. 7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitkörper aus viertelkreisförmig gebogenen Blechteilen (4.1) bestehen, wobei sich die Einströmöffnungen jeweils gegenüber liegen und die Einströmöffnungen (1.1) gegenüber den Ausströmöffnungen (1.2) jeweils um etwa 90° räumlich versetzt angeordnet sind (Fig. 2).
  8. 8. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnung (1.2) des Ausströmkanales aus parallel verlaufenden Blechteilen gebildet ist.
  9. 9._ Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Rippenrohres (5) ein konzentrisch zu diesem angeordnetes weiteres Rohr (6) vorgesehen ist, welches über einen Flansch (14) mit einem weiteren am Rippenrohr (5) angeordneten Flansch (15) verbunden ist und daß das äußere Rippenrohr (5) an seinem Ende mit einem Boden (8) verschlossen ist.
  10. 10. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berippung des äußeren Rippenrohres (5) sich nur auf einen Teil seiner Länge erstreckt und daß an der nicht berippten Partie des Rohres (5) sich dessen Querschnitt erweitert und an dieser Partie ein mit einem Gehäuse (21) verbindbarer Flansch (16) sowie ein Rohrstutzen (10) angeordnet ist.
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