FI83564B - Vaermeoeverfoeringsroer med invaendiga aosar och foerfarande foer framstaellning daerav. - Google Patents

Description

1 83564 Lämmönsiirtoputki, jossa on sisäpuoliset harjanteet, ja menetelmä sen valmistamiseksi

Esillä olevan keksinnön kohteena ovat mekaanisesti muodostetut lämmönsiirtoputket, joita käytetään useissa sovelluksissa, mukaanlukien kiehuminen ja lauhduttaminen. Upotetuissa jäähdyttävissä jäähdytys sovelluksissa on putken ulkopuoli upotettu jäähdytysväliaineeseen, joka kiehautetaan, kun sen sisäpuolella kulkee nestettä, yleensä vettä, joka jäähtyy luovuttaessaan lämpönsä putkelle ja jäähdytysväliaineel-le. Lauhdutussovelluksissa tapahtuu lämmönsiirto päinvastaiseen suuntaan kuin kiehumissovellutuksissa. Sekä kiehumisessa että lauhduttamisessa on toivottavaa, että yleinen lämmönsiirtokerroin maksimoidaan. Sellaisissa tapauksissa, joissa putken toisen pinnan tehokkuutta on parannettu siinä määrin, että toinen pinta aikaansaa suurimman osan lämpö-vastuksesta, olisi tietysti toivottavaa yrittää parantaa mainittua toista pintaa. Syy tähän on se, että jommankum- :Y: man puolen lämpövastuksen alenemisella on erittäin suuri • - . merkitys, kun sisäpuoliset ja ulkopuoliset vastukset ovat tasapainossa. Paljon työtä on tehty lämmönsiirtoputkien • - tehokkuuden parantamiseksi, ja erityisesti keittoputkien kohdalla, koska on helpompaa suurentaa ulkopintaa kuin sisä-pintaa.

Tyypillisesti muutoksia tehdään putken ulkopintaan useiden syvennysten, aukkojen tai sisäänsuljettujen osien muodostamiseksi, jotka toimivat mekaanisesti pienten höyrykuplien muodostuksen sallimiseksi. Täten muodostetut syvennykset muodostavat ydinkohtia, joissa höyrykuplat yleensä muodostavat ja kasvavat ennen kuin ne irrottautuvat pinnasta ja antavat lisänesteen ottaa niiden jättämän vapaan tilan uuden kuplan muodostamiseksi alusta. Joitakin esimerkkejä viite-julkaisuista, joiden kohteena on mekaanisesti tuotetut ydinkohdat ovat US-patentti 3 768 290, US-patentti 3 696 861, US-patentti 4 040 479, US-patentti 4 216 826 sekä US-patentti 2 83564 4 438 807. Kussakin näistä patenteista on ulkopinta rivoi-tettu jossakin vaiheessa valmistusprosessia. US-patentissa 4 040 479 putki pyälletään ennen kuin se rivoitetaan halkioiden tuottamiseksi rivoituksen aikana, jotka halkiot ovat paljon leveämpiä kuin alkuperäiset pyällysurat ja jotka ulkonevat ripojen kärkien poikki rivoituksen jälkeen. Muissa patenteissa rivat on valssattu nurin tai tasoitettu muodostamisen jälkeen, jotta ne muodostaisivat kapeita rakoja, jotka peittävät suuremmat syvennykset tai kanavat, joita ripojen tyvet ja vierekkäisten ripaparien sivut määrittävät. US-patentti 4 216 826 esittää erityisen tehokkaan ulkopinnan, joka on aikaansaatu rivoittamalla tavallinen putki, puristamalla useita poikittaisia uria ripojen kärkiin putken akselin suunnassa ja sen jälkeen puristamalla ripojen kärjet alas lukuisten yleisesti suorakaiteen muotoisten, leveiden, paksunnettujen pääosien muodostamiseksi, jotka on erotettu toisistaan ripojen välistä kapealla raolla, joka peittää suhteellisen leveän kanavan ripojen tyvialueella.

Viitejulkaisuissa on myös käsitelty sitä, että putken lämmönsiirto-ominaisuuksien parantamiseksi sen kiehumispuolella ei ole riittävää. Esim. US-patentissa 3 847 212, johon tässä viitataan esitetään rivoitettu putki, jossa on huomattavasti suurennettu sisäpinta. Suurennus käsittää lukuisten sisäpuolisten alkuharjänteiden käytön, joiden harjanteiden leveyden suhteellinen kasvu on edullisesti 0,10-0,20 välisellä alueella. Täten sisäpuolisten harjanteiden välissä on pitkänomainen litteä alue, joka on olennaisesti pidempi aksi-aalisuunnassa kuin harjanteen leveys. US-patentissa 3 847 212 esitetään, että lämmönsiirtotehokkuus paranee pienentämällä harjanteen leveyttä suhteessa nousuun. Oletettavasti tehokkuus laskisi kun harjanteet sijoitetaan liian lähekkäin, koska neste virtaisi kärkien yli eikä joutuisi kosketukseen harjanteiden välissä olevien litteiden pintojen kanssa. Tämä tapahtuisi koska harjanteet on sijoitettu yleisesti poikittain putken akseliin nähden. Erityisesti esitettiin 39° kulma putken akselia vastaan kohtisuoraan kulkevasta linjasta.

3 83564

Luonnollisesti vastaava kulma mitattuna suhteessa putken akseliin olisi 51°. Vaikkakin US-patentin 3 847 212 mukainen muoto tasapainotti sisä- ja ulkopintojen tehokkuuden suhteellisen yhtenäiseksi, ei sen ulkokiehumispinta ollut yhtä tehokas kuin uudemmissa kehitelmissä kuten US-paten-tissa 4 216 826 esitetty. Muita putkia, joissa on sisäpuoliset harjanteet on esitetty seuraavissa US-patenteissa: 3 217 799, 3 457 990, 3 750 709, 3 768 291, 4 044 797 sekä 4 118 944.

Eräs keksinnön päämääristä on aikaansaada parannettu läm-mönsiirtoputki, jonka pintaa on suurennettu sekä ulkopuolelta että sisäpuolelta.

Toinen päämäärä on aikaansaada parannettu putki, jota voidaan valmistaa yhdellä ainoalla syötöllä tavanomaisen ri-voituskoneen läpi.

Eräs toinen päämäärä on parantaa nesteen virtausta putken sisällä kalvovastuksen optimoimiseksi tietyllä paineen alennuksella samalla kun sisäpuolista pinta-alaa lisätään . . lämmönsiirron tehokkuuden parantamiseksi edelleen.

Vielä eräs päämäärä on aikaansaada ydinkohtia sisältävä kiehumisputki upotetuille jäähdyttäville jäähdytyssovelluk-sille, joissa putken pinta sisältää syvennyksiä, jotka ovat sekä pienempiä että suurempia kuin tietyn nesteen ydinkohta-kiehumisen optimaalinen minimihuokoskoko tietyissä käyttö-olosuhteissa.

Nämä ja muut päämäärät ja edut saavutetaan esillä olevan keksinnön mukaisella putkella ja menetelmällä, jossa sisäpuolinen pinta on suurennettu varustamalla se suurella mää-rällä suhteellisen lähellä toisiaan olevia harjanteita, jotka on järjestetty riittävän suureen kulmaan suhteessa putken akseliin, jotta ne aikaansaavat pyörteilevän turbulentin virtauksen, jolla on taipumusta, ainakin olennaisen suuressa määrin, seurata harjanteiden välissä olevia suh- 4 83564 teellisen kapeita uria. Kulma ei kuitenkaan saa olla niin suuri, että virtaus pyrkisi siirtymään harjanteiden yli. Putken ulkopuolinen pinta on myös edullisesti suurennettu. Ydinkohtia sisältävän kiehumisputken eräässä edullisessa sovellutuksessa käytetään n. 30 alkuharjännettä 19 mm putkea varten , kun taas eräissä US-patentin 3 847 212 mukaisissa kaupallisissa sovellutuksissa käytetään n. 6-10 alku-harjannetta .

Edullinen sovellutus sisältää myös ulkopuolisen suurennoksen, joka käsittää useita syvennyksiä, sisäänsuljettuja osia ja/tai muunlaisia aukkoja, jotka sijaitsevat putken kehällä, yleisesti putken ulkopinnalla tai sen alla. Nämä aukot toimivat pieninä kierrätysjärjestelminä, jotka pump-paavat nestejäähdyttimiä "silmukkaan", ja mahdollistavat nesteen kontaktin joko alkavan, potentiaalisen tai toimivan ydinkohdan kanssa. Kuvatunlaisia aukkoja esitetään US-paten-tissa 4 216 826 ja ne valmistetaan edullisesti muodostamalla spiraalimaisia ripoja putkeen, muodostamalla yleisesti pitkittäisiä uria tai lovia ripojen kärkiin ja tämän jälkeen deformoimalla ulkopinta yleisesti suorakaiteen muotoisten litistettyjen lohkojen muodostamiseksi, jotka ovat pienen välimatkan päässä toisistaan putken pinnalla, mutta joiden alla on suhteellisen leveitä kanavia ripojen tyvialueella. Muodostamalla mainitut aukot kuitenkin epäyhtenäisellä tavalla siten, että ne sisältävät optimihuokoskokoa suurempia ja pienempiä syvennyksiä, aikaansaadaan olennainen lisäys putken yleiseen suorituskykyyn, ja edellä mainittu nesteen kontakti voidaan sallia myös silloin, kun putket on ryhmitetty nippuihin kiehumisnesteessä, joka laajalla alueella pysyy nestehöyrykoostumuksessa. Tämä on merkittävää, koska on tunnettua, että kiehumiskäyrät vastaavat yleisesti joko yksi-putki tai moniputkikäyttöä ydinkohtakiehumisputken kohdalla, joilla on yhtenäiset huokoiset pinnat, ja jotka ovat riippuvaisia tietyn yhtenäisen huokoskoon saavuttamisesta, joka sopii tietylle jäähdyttimelle. Täten ei saavuteta sellaista kohennusta kiehumiskäyrään siirryttäessä yhdestä putkesta li 5 83564 nippuun yhtenäisen pinnan omaavia putkia, kuin mikä saavutetaan putkilla, joilla on tavallinen sileä tai rivoi-tettu ulkopinta. Tällainen tilanne on hyväksyttävissä putken huokoisen ulkopinnan ollessa erittäin tehokas, kuten asian laita on US-patentissa 3 384 154 esitetyssä sintra-tussa pinnassa tai US-patentissa 4 129 181 esitetyssä huokoisessa vaahtopinnassa. Tällaiset edellä mainitut huokoiset pinnat ovat kuitenkin kalliita tuottaa. Täten tuntuu toivottavalta pystyä mekaanisesti tuottamaan sellainen pinta, jota, vaikkakaan se ei ole yhtä tehokas kuin US-paten-tissa 4 129 181 esitetyt pinnat yksiputkikiehumisessa, voitaisiin kuitenkin olennaisesti parantaa nippukäytössä. US-patentin 4 216 826 mukainen mekaanisesti muodostettu pinta on täysin yhtenäinen ja täten ei tunnu oletettavalta, että se aikaansaisi parannetun suorituskyvyn siirryttäessä yhden putken käytöstä nipun käytttöön. US-patentissa 4 216 826 ilmeisesti tiedostetaan tämä, koska siinä ehdotetaan "korkeiden ripojen" lisäämistä suorituskyvyn huonontumisen estämiseksi käytettäessä putkea paljon kuplia sisältävässä nesteessä (esim. putkien ollessa nipuissa). Tämä ratkaisu voi olla taloudellisesti huono rakennettaessa nippua, koska "korkeiden ripojen" lisääminen lisäisi joko jokaisen putken ulko-läpimittaa, tai tietyn ulkoläpimitan kohdalla johtaisi pienempään sisäläpimittaan kuin mitä tarve olisi, jos lisäripoja ei tarvittaisi.

Aikaansaamalla syvennyksiä, jotka ovat sekä suurempia että pienempiä kuin optimi, kuten esim. valssaamalla alas rivat putkessa, jossa on useita alkuripoja, val.ssaustyökalusarjal-la, jolla on progressiivisesti kasvavat läpimitat, jotka on sijoitettu rivoitusnapoihin, on varmaa, että aikaansaadaan riittävästi kiehumiskohtia yhtä putkea käytettäessä. Lisäksi rakenne mahdollistaa myös voimakkaiden konvektiovirtaus-ten myönteisen vaikutuksen hyödyntämisen, jotka virtaukset ovat käytettävissä kiehumisnipussa ja jotka voidaan toteuttaa siten, että nipun kiehumiskäyrä on jopa parempi kuin yksittäisen putken käyrä. Rakenne ilmeisesti estää aktiivisten kiehumiskohtien tulvimisen sekä höyrynsitomisen, joita 6 83564 on pidetty syinä nippujen huonompaan suorituskykyyn verrattuna yksittäisiin putkiin. Huokoskoon vaihtelut aikaansaavat myös toleranssia valmistuksessa sekä mahdollistavat putken käyttämisen lukuisten eri kiehumisnesteiden kanssa.

Kuten aikaisemmin esitettiin, on hyvä putkimuoto riippuvainen sekä sisä- että ulkopintoihin tehtävistä parannuksista. Tämä päämäärä on saavutettu esillä olevan keksinnön mukaisessa putkessa, jonka 19 mm alku-ulkoläpimitalla todettiin aikaansaatavan 35 % parannus putken sivun kalvovastuksessa verrattuna markkinoilla olevaan samaläpimittaiseen putkeen, joka on valmistettu US-patentin 3 847 212 mukaisesti. Vastus, joka johtuu uuden putken tukkeutumissietokyvystä, on hyötynyt uuden putken laajemmasta sisäpinta-alasta verrattuna edellä mainittuun markkinoilla olevaan putkeen ja sen todettiin johtavan 28 % parannukseen. Kiehumiskalvovastus parani 82 % verrattuna markkinoilla olevaan putkeen.

Oheisissa piirustuksissa kuvio 1 esittää aksiaalisen osa-leikkauksen keksinnön mukaisesta putkesta; kuvio 2 esittää aksiaalisen osaleikkauksen putkesta pään lä-pimenokohdasta, jolla esitetään toisiaan seuraavat mene-telmävaiheet, jotka käsittävät putken pinnan rivoituksen, urittamisen sekä alas valssaamisen tai puristamisen; kuvio 3 on suurennettu aksiaalinen osaleikkaus kuvion 1 mukaisesta putkesta, jossa esitetään menetelmä epäyhtenäisen ulkopinnan muodostamiseksi, ja joka sisältää pisteviivoin merkityt kaksi pinnan puristusvalssia, jotka sijaitsevat, kuten kuviossa 4 esitetään, muilla navoilla, jotka sijaitsevat 120° ja 240° välein putken kehällä verrattuna kokovii-voilla esitettyyn sijaintiin; kuvio 5 on kuviota 3 vastaava aksiaalinen leikkaus, mutta esittää sovellutuksen, jossa kartiomaisia teloja käytetään eripituisten välimatkojen aikaansaamiseksi eri ripojen vä- li 7 83564 liin; kuviot 6a ja 6b ovat aksiaalisia leikkauksia esittäen toisen ja edullisen rakenteen, jolla aikaansaadaan erilaisia välimatkoja ripojen väliin tekemällä rivoista erilevyisiä, kuten esim. käyttämällä epäyhtenäisiä välikelevyjä saman-paksuisten rivoituslevyjen välissä; kuviot 7a ja 7b ovat aksiaalisia leikkauksia esittäen toisen sovellutuksen, jonka mukaan eri välimatkat ripojen väliin aikaansaadaan tekemällä rivoista erikorkuisia; kuvio 8 on 20X mikrovalokuva putken ulkopinnasta; kuvio 9 on kaavio, jossa verrataan lämmönsiirto-ominaisuuksia paineenalennusominaisuuksiin neljän erityyppisen sisäisesti rivoitetun putken välillä; ja kuvio 10 on kaavio, jossa verrataan ulkokalvon lämmönsiirto-kerrointa lämmönvirtaukseen, Q/A*.

; Viitaten kuvioon 1 esitetään suurennettu osakuva keksinnön . mukaisesta putkesta aksiaalisena leikkauksena. Putki 10 kä sittää deformoidun ulkopinnan, joka yleisesti osoitetaan viitenumerolla 12, sekä harjänteisen sisäpinnan, joka yleisesti osoitetaan viitenumerolla 14. Sisäpinta 14 käsittää useita harjanteita, kuten 16, 16', 16", vaikkakin joka toinen harjanne, kuten harjanne 16' on selvyyden vuoksi jätetty pois. Esitetyllä putkella on 30 harjanteen alkua ja sen ulkoläpimitta on 19 mm. Harjanteet muodostetaan edullisesti siten, että niiden profiili on US-patentissa 3 847 212 esitetyn mukainen ja niiden nousu p, harjanteiden leveys b, sekä harjanteiden korkeus e, mitataan dimensionuolien osoittamalla tavalla. Spiraalin nousukulma Θ mitataan putken akselilta. Siinä missä US-patentissa 3 847 212 esitettiin suhteellisen alhaisen alkuripojen määrän käyttämistä, kuten 8 83564 esim. 6, jotka on järjestetty suhteellisen suurella jaolla, kuten esim. 8,5 mm, ja suhteellisen suuressa kulmassa akseliin nähden, kuten esim. 51°, on kuviossa 1 esitetyllä putkella 30 alkuripaa, 2,4 mm jako sekä rivan spiraalin nou-sukulma joka on 33,5°. Uusi muoto kohentaa huomattavasti sisäpuolista lämmönsiirtokerrointa, koska se aikaansaa suuremman pinta-alan ja sallii myös putken sisällä olevan nesteen pyöriä sen virrattaessa poikittain putken pituuteen nähden. Edullisten ripakulmien kohdalla pyörivä virtaus pitää nesteen hyvässä lämmönsiirtokontaktissa putken sisäpinnan kanssa, mutta välttää liiallisen turbulenssin, joka voisi aikaansaada ei-halutun painehäviön kasvun.

Putken ulkopinta 12 on edullisesti yleensä muodostettu US-patentissa 4 216 826 esitetyillä rivoitus-, lovetus- ja pu-ristusmenetelmillä, jonka patentin keksinnön kohteeseen viitataan tässä hakemuksessa. Vaihtelemalla putken pinnan 12 puristustapaa sen jälkeen kun se on rivoitettu ja lovettu on suhteellisen varmaa, että ulkopinnan suorituskyky parantuu huomattavasti, varsinkin kun putket järjestetään tavanomaiseen nippumuotoon. Vaikkakin putken pinta 12 näyttää kuvion 1 aksiaalisessa kuvassa olevan muodostettu rivoista, joilla on puristetut päät, on pinta 12 itse asiassa ulkoinen päällysrakenne, joka sisältää ensimmäisen määrän lähekkäisiä, yleisesti kehänmuotoisia, suhteellisen syviä kanavia 20 sekä toisen määrän suhteellisen matalia kanavia 22, jotka näkyvät parhaiten kuviosta 8, jotka yhdistävät vierekkäiset kanavat 20 ja sijaitsevat poikittain suhteessa kanaviin 20. Putki 10 on edullisesti valmistettu tavanomaisella kolmenapaisella rivoituskoneella. Navat on asennettu 120° välein putken ympärille, ja kukin on edullisesti asennettu 2-1/2° kulmaan suhteessa putken akseliin. Kukin napa, kuten kuviossa 2 kaaviomaisesti esitetään, voi sisältää lukuisia rivoituslevyjä, kuten levyt 26, 27, 28, lovetusle-vyn 30, ja yhden tai useamman puristuslevyn 34, 35. Välike-levyt 36, 38 on sovitettu, jotta lovetus- ja puristuslevyt olisivat samalla linjalla rivoituskoneilla 26-28 tuotettu-

II

9 83564 jen ripojen 40 keskiviivojen kanssa. Edullisesti lovetus-levy 30 ja kukin puristuslevyistä 34, 35 on kosketuksessa kolmen rivan kanssa yhtä aikaa.

Nippumuodostelemassa olevien putkien ulkopinnan paremman kiehumissuorituskyvyn saavuttamiseksi on todettu olevan toivottavaa tehdä pinnasta hieman epäyhtenäinen siten, että putken pintaan järjestetään monta erikokoista aukkoa. Aukkojen tulee sisältää sekä pienempiä että suurempia aukkoja kuin huokoskoko, joka parhaiten tukisi tietyn jäähdyttimen ydinkiehumista tietyissä toimintaolosuhteissa. Eri tapoja, joilla epäyhtenäinen pinta aikaansaadaan esitetään kuvioissa 3-7.

Kuvio 3 on kaaviokuva menetelmästä erilevyisten a,b,c aukkojen muodostamiseksi vierekkäisten ripojen kärkien 40 väliin valssaamalla alas vierekkäiset kärjet eriävässä määrin. Tämä saavutetaan muodostamalla lopullisiin valssauslevyihin 35, 35' ja 35" hieman eriävät läpimitat, kuten kuviossa 4 kaaviollisesti esitetään. Käyttämällä kolmea rivanmuodosta-jaa ulkopinnalla, joutuu kukin rivan kärki 40 kosketukseen vain yhden levyn kanssa kolmesta levystä 35, 35', 35". Vals-sauslevyjen 35, 35' ja 35" erot läpimitassa ovat itseasiassa hyvin pienet, mutta niitä on liioiteltu piirroksissa selvyyden vuoksi. Levyt 35' ja 35" esitetään myös katkoviivoilla kuviossa 3 niiden aksiaalisen välimatkan esittämiseksi levystä 35. Todellisuudessa ne on sijoitettu putken kehälle 120° kulmiin, kuten kuviossa 4 esitetään.

Kuvio 5 on sovellus kuvion 3 järjestelmästä, jossa levyissä 135, 135' ja135"on kartionrauotoiset läpimitaltaan erikokoiset ulkopinnat, jotka.johtavat erilevyisiin aukkoihin d, e, f.

Kuvio 6b on edullinen sovellutus kuvion 3 järjestelmästä, joka esittää, että erilevyiset aukot g, h, i voidaan aikaansaada kolmella navalla sijaitsevalla saman läpimittaisilla vals-sauslevyillä tekemällä rivoista 140, 140' ja 140" erilevyisiä, kuten kuviossa 6a parhaiten esitetään.

10 83564

Kuvio 7b on toinen sovellus, joka esittää, että erilevyiset aukot j, k, 1 aikaansaadaan saman läpimitan omaavilla kolmella navalla sijaitsevalla valssauslevyllä muodostamalla rivoista 240, 240', 240" vakiolevyiset, mutta erikor-kuiset, kuten parhaiten nähdään kuviosta 7a.

Jotta voitaisiin verrata esillä olevan keksinnön mukaista putkea erilaisiin tunnettuihin putkiin, esitetään taulukot I ja II kuvaamaan kumpienkin eri putkiparametrejä ja suo-ritustuloksia.

Taulukko I

Dimensiot ja ominaisuudet kuparisilla koeputkilla, joissa on sisäpuoliset monialkuharjänteet ja joko pysty- tai modifioidut ulkopuoliset rivat

Putken kuvaus I II III IV

Ulkomuoto ripoja/2,54 cm 26 40 40 40 ripojen asento pysty pysty pysty litistetty

Ripojen korkeus (mm) 1,34 0,83 1,55 0,61

Ulkosivun todellinen pinta-ala Aq (m /m) 0,20 0,18 0,27 tuntematon d^ = Sisäläpimitta (mm) 20,8 16,0 14,6 16,1 e = Harjanteiden kork- keus (mm) 0,46 0,38 0,61 0,56 p = Harjanteiden jako (nm) 8,46 4,24 2,41 2,36 = Rivanalkujen lkm·. 6 10 10 30

Kb 1 = Kaltevuus (cm) 5,08 4,24 2,41 7,09 Θ = Harjanteen kaltevuus- kulma akselilta (°) 51,1 48,4 60,1 33,5 b = Harjanteen leveys akselia pitkin (mm) 1,63 1,75 1,70 1,73 b/p 0,193 0,413 0,706 0,731

Ci = Sisäpuolinen läm- mönsiirtokerroin 0,052 0,052 0,071 0,060 f = Kitkakerroin N_ :ssä = 35 000 0,0468 0,0476 0,0741 0,0479 ΚΘ n 83564

Taulukossa I viitenumerolla I merkitty putki on US-paten-tissa 3 847 212 esitetyn putken kaltainen. Koska putkella I oli 25,4 mm alku-ulkoläpimitta, kun taas myöhempi kehitystyö tehtiin putkilla, joiden ulkoläpimitta oli 19 mm, testattiin myös putkea II, joka suorituskyvyltään vastaa putkea I, mutta jonka ulkoläpimitta on 19 mm. Esimerkiksi kummallakin putkella I ja II on sisäpuolinen lämmönsiirto-kerroin, joka on 0,052. Putki III kehiteltiin suuren laajennuksen aikaansaamiseksi ulkopinnassa, AQ, lisäämällä ripojen korkeutta. Koska ripojen korkeutta lisättiin samalla kun ulkoläpimitta säilytettiin, pieneni sisäläpimitta huomattavasti verrattuna putkeen II. Suuri lukumäärä harjanteita aikaansaa sen, että putken III sisäpuolen lämmönsiir-tokerroin on paljon korkeampi kuin esillä olevan keksinnön mukaisen putken IV vastaava. Korkeampi sisäpuolinen lämmönsiirtokerroin aiheuttaa kuitenkin huomattavan laskun kitkakertoimessa f. Lisäksi voidaan taulukosta I nähdä, että putkella IV on sisäpuolinen harjanteita sisältävä pinta, joka eroaa huomattavasti putkista I-III useammassa kohdassa. Esimerkiksi kuvatun putken kohdalla on harjanteiden jako p = 2,36 mm, harjanteen korkeus e = 0,56 mm, harjanteen tyven leveyden suhde jakoon b/p = 0,731 ja harjanteen spi-. raalimainen kaltevuuskulma Θ mitattuna akselilta = 33,5°.

Edullisesti p:n tulisi olla pienempi kuin 3,15 mm, e:n tulisi olla vähintään 0,38 mm, b/p tulisi olla suurempi kuin 0,45 ja vähemmän kuin 0,90 ja θ:η tulisi olla n. 29° ja 42° välillä putken akselilta. On vielä edullisempaa, jos p on pienempi kuin 2,54 mm ja kulma Θ 33° ja 39° välillä. On todettu, että on vielä edullisempaa jos p on pienempi kuin 2,39 mm. Taulukossa II esitetään yhteenveto putkien II, III ja IV muotoilutuloksista.

' Taulukko II

Yhteenveto muotoilutuloksista, joissa on käytetty 300 tonnia upotettua putkinippuhaihdutinta jäähdyttimenä R-11 ja erilaisia putkia, joiden ulkoläpimitta on 19 mm ympyränmuotoisen nipun muodostamiseksi. Kolmionmuotoisessa järjestelyssä, jossa on 3,2 mm rakovälit putkien välissä.

12 83564

Veden olosuhteet: Lämpötila sisä=9,8°C; ulko=5,3°C

2

Paineenhäviö = 0,63 kg/cm ; tukkeutumiskerroin FF = 0,00024 laskettuna todellisesta sisäpinta-alasta

Putken ulkomuoto II III IV

Jäähdyttimen lämpötila,°C 3,6 3,6 3,6

Vesisyöttöjen lukumäärä 3 22

Veden virtaus putken sisällä, m/s 1,65 1 ,74 2,32

Kokonaislämmönsiirtokerroin, Uq 418 637 1148

Tarvittava putkisto

Putkien lukumäärä 414 312 194

Putken pituus, m 4,09 3,54 3,23

Yhteismetrimäärä 1689 1102 627

Metriä/tonni 5,64 5,66 2,10

Nipun läpimitta, cm 48,3 38,9 30,7

Taulukko II vertaa putkien II, III ja IV projisoitua yleissuoritusta niiden ollessa järjestettynä nippuun tietyssä jäähdytyslaitteessa, joka aikaansaa 300 tonnia jäähdytystä. Käytettiin hyvin tarkkaa tietokone-ohjattua muo-toilumenettelyä, joka perustuu kokeellisiin tietoihin. Menetelmä ottaa huomioon erilaisista testeistä saadut suori-tuskykyominaisuudet. Kuten taulukosta nähdään on putken IV yleissuorituskyky ylivoimainen verrattuna putkiin II ja III. Käyttämällä esimerkiksi putkea IV on tarvittava määrä putkia tonnin jäähdytyksen aikaansaamiseksi vain 2,10 m, verrattuna 5,64 m putken II kohdalla ja 3,66 m putken III kohdalla. Tämä on 63 % ja 43 % säästö tarvittavassa putkimää-rässä verrattuna putkeen II ja putkeen III. Sen lisäksi, että tarvittavien putkien pituus, ja näin ollen kulut, vähenevät putken IV käytön ansiosta, vähentää putken IV käyttö myös putkinipun koon 48,3 cm tai 38,9 cm läpimitasta putkien II ja III kohdalla läpimittaan, joka on 30,7 cm.

Tämä tekee laitteesta huomattavasti tiiviimmän ja johtaa myös huomattaviin lisäsäästöihin niiden aineiden ja työn suhteen, joita tarvitaan laajempien astioiden ja kannatti-mien tuottamiseksi, joita tarvitaan suurempi läpimittaista 13 83564 putkinippua varten.

Kuvioiden 9 ja 10 kaaviot esitetään, jotta voitaisiin edelleen verrata taulukoissa I ja II esitettyjä erilaisia putt kia. Kuvio 9 on edellä mainitun US-patentin 3 847 212 kuviota 12 vastaava kaavio esittäen lämmönsiirron ja painehä-viön suhdetta sisäpuolisen lämmönsiirtokerrointekijän ja kitkakertoimen f avulla, jossa on verrannollinen sisäpuoliseen lämmönsiirtokertoimeen ja on johdettu hyvin tunnetusta Sieder-Tate -yhtälöstä. Tiedetään, että paine-häviö on suoraan verrannollinen kitkakertoimeen verrattaessa tietyn läpimitan omaavia putkia samalla Reynolds-lu-vulla. US-patentin 3 847 212 mukaisessa putkessa, joka on taulukon I putki I, oli useita alkuripoja ja sisäpuolisia harjanteita joiden välissä oli litteitä kohtia. US-patentin 3 847 212 kuviossa 12 esitettiin, että samainen putki Rey-nolds-luvun 35 000 kohdalla omaa parannetun lämmönsiirto-kertoimen tietyllä painehäviöllä, verrattuna tunnetun tek-nilkan mukaiseen yhden alkurivan putkeen, jossa oli käyrä-lineaarinen sisäseinän profiili. Kuvion 9 käyrässä on US-patentin 3 847 212 mukaiset putket osoitettu asettuvan kaarevalle linjalle 82. Edellä mainittu tunnetun tekniikan mukainen yhden alkuharjänteen putki esitetään viivalla 84. On helppoa nähdä, että taulukon I putkella III, jolle on tunnusomaista 10 alkuharjännettä, ripojen korkeus 1,55 mm, kaltevuuskulma, joka on 60,1°, kaltevuus 2,41 cm, leveys/ jako-suhde 0,706 ja harjanteen korkeus 0,61 mm, on paljon korkeampi sisäpuolen lämmönsiirtokerroin kuin viivoilla 82 ja 84 merkityillä moni- ja yksiripa-alkuisilla putkilla. Putken III korkeampi sisäpuolinen lämmönsiirtokerroin aikaan-saadaan kuitenkin ainakin osittain erittäin paljon kasvavan kitkakertoimen f kustannuksella, ja täten myös suuremman painehäviön kustannuksella. Käyrä osoittaa myös esillä olevan keksinnön mukaisen parannetun putken IV koordinaatistoon merkityn tulostuspisteen ja esittää selvästi, että olennainen parannus sisäpuolen lämmönsiirtokertoimeen voidaan aikaansaada lisäämättä olennaisesti painehäviötä verrattuna joko putken II tai putken III koordinaatistoon merkittyihin 14 83564 tulostuspisteisiin. Kuten aikaisemmin selitettiin valmistettiin putki II US-patentin 3 847 212 mukaisesti, mutta sillä on 19 mm sisäläpimitta, 10 alkuharjännettä, 0,83 mm rivan korkeus, harjanteen kaltevuuskulma,, joka on 48,4°, jako 4,24 mm, nousu ja leveys/nousu-suhde, joka on 0,413. US-patentissa 3 847 212 määriteltiin harjanteen kulma Θ siten, että se aina mitattaisiin kohtisuoraan putken akselia vastaan, mutta esillä olevassa selityksessä harjanteen kaltevuuskulma määritellään siten, että se mitataan suhteessa akseliin, koska tämä tuntuu tavanomaisemmalta terminologialta.

Koetulosten perusteella on tehty projektioita niistä vaatimuksista, jotka kohdistuvat putkiin valmistettaessa 300 tonnin upotettu putkinippuhaihdutin. Projektioissa oli otettava huomioon ei pelkästään veden-(sisä)puoliset suoritus-kykyominaisuudet vaan myös kiehumis-(uiko)puolen suoritus-kykyominaisuudet. Kun tämä oli tehty antoi putki III olennaisen parannuksen verrattuna putkeen II, josta osa (n. 11 %) johtui parannetuista sisäpuolen ominaisuuksista. Samanlaiset projektiot osoittivat kuitenkin putken IV kohdalla paljon suuremman kasvun putken yleissuorituskyvyssä verrattuna putkeen II, vaikkakin sen lämmönsiirtokerroin oli olennaisesti alhaisempi kuin putkella III. Esimerkiksi sen yleinen suorituskyky oli 74 % parempi kuin putkella III ja 168 % parempi kuin putkella II.

Kuvion 9 kohteena on erilaisten putkien sisäinen lämmönsiirtokerroin kun taas kuvio 10 kohdistuu ulkopuolisiin lämmönsiirto-ominaisuuksiin, koska sen käyrässä on merkitty ulkopuolisen kalvolämmönsiirtokertoimen piste koordinaatistoon h^ lämmönsiirtovirtaukseen Q/A*. Nämä termit on saatu tavanomaisesta lämmönsiirtoyhtälöstä Q = h^iA^At, jossa Q on lämmönvirtaus ilmaistuna BTU/tunti; Aq on ulkopuolinen pinta-ala ja At on lämpötilaero °F:ina ilmaistuna ulkopuolisen nestemäärän lämpötilan ja ulkopuolisen seinän pinnan lämpötilan välillä. Yksinkertaisuuden vuoksi on ulkopuolinen pinta A* naninaaliarvo joka määritetään kertomalla ?ncxninaal inert

II

15 83564 ulkopuolen läpimitta Pirilä ja putken pituudella. Voidaan nähdä, että putki III esittää paremman kiehumissuoritus-kyvyn verrattuna putkeen II, ja vastaavasti putki IV osoittaa olennaisesti korkeamman suorituskyvyn kuin putki II. Putki I jätettiin pois koska siinä oli suurempi läpimitta. Kuten aikaisemmin mainittiin vastaa putki II putkea I, mutta siinä on sama ulkoläpimitta kuin putkilla III ja IV. Käyrä esittää yhden putken kiehumistilannetta. On kuitenkin todettu, kuten taulukossa II esitetyistä putken IV suorituskyky tuloksista voidaan nähdä, että suorituskyky nippu-kiehumistilanteessa paranee olennaisesti. Vaikkakin esillä olevassa hakemuksessa on käsitelty yksityiskohtaisesti vain ydinkohtakiehumisessa käytettäviä putkia, on keksintö myös erittäin arvokas lauhdutussovelluksissa. Tällaisissa sovelluksissa ripojen kärkien alaskääntämisen tai litistämisen käsittävä viimeinen vaihe jätetään pois.

Claims (10)

1. Metallinen lämmönaiirtoputki (10), joeea on integraa- linen, ulkopuolinen päällirakenne (12), joka sisältää ensimmäisen määrän vierekkäisiä, yleisesti kehänmuotois ia kanavia <20) muodostettuna päällirakenteeseen ja toisen määrän kanavia (22) muodostettuna päällirakenteeseen, jotka yhdistävät vierekkäiset parit yleisesti kehänmuotoisia kanavia (20) ja jotka on sijoitettu poikittain suhteessa ensimmäiseen määrään yleisesti kehänmuotoisia kanavia (20), tunnettu siitä, että putken sisäpinta (14) käsittää lukuisia spiraalimaisia harjanteita (16, 16', 16"), joiden jako (p) on vähemmän kuin 3,15 mm, harjanteen korkeus (e) on vähintään 0,4 mm, putken akselia pitkin mitattu harjanteen tyven leveys (b) suhteessa b:p jakoon (p) on suurempi kuin 0,45 ja pienempi kuin 0,90 ja o o spiraalimainen kaltevuuskulma (Θ), joka on n. 29 - 42 mitat tuna putken akselilta, jolloin ensimmäinen määrä yleisesti kehänmuotoisia kanavia (20) on sijoitettu jaolla, joka on vähemmän kuin 50 % spiraalimaisten harjanteiden (16, 16', 16”) jaosta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmönaiirtoputki, tunnettu siitä, että lukuisten harjanteiden (16, 16', 16") jako on pienempi kuin n. 2,54 mm ja niiden spiraalimainen o o kaltevuuskulma (Θ) on n. 33 - 39 mitattuna putken akselilta.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmönaiirtoputki, tunnettu siitä, että lukuisten harjanteiden <16, 16' 16”) jako on pienempi kuin n. 2,4 mm ja niiden spiraalimainen o o kaltevuuskulma (Θ) on n. 33 - 39 putken akselilta mitattuna.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen lämmön-siirtoputki, tunnettu siitä, että putken ulkopinta (12) näyttää yleisesti ristikolta, joka on muodostettu yleisesti suorakaiteenmuotoisista litteistä kappaleista, jotka on joka puolelta erotettu toisistaan kapeilla aukoilla (g, h, i; j, k, 11 17 83564 1), jotka ovat huomattavasti pienempiä kuin mitä niiden alla olevat ensimmäinen (20) ja toinen kanava (22) ovat leveitä.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen lämmönsiirtoputki, tunnettu siitä, että kapeat aukot (g, h, i; j, k, 1), jotka ovat yleisesti kehänmuotoisten kanavien päällä, ovat erikokoisia eri vierekkäisten litistettyjen kappaleiden välillä.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen lämmönsiirtoputki, tunnettu siitä, että kapeiden aukkojen (g, h, i; j, k, 1) eri koot kattavat laajan skaalan, joka on sekä isompi että pienempi kuin optimi minimihuokoskoko tietyn nesteen ydinkoh-takiehumisessa tiettyjen olosuhteiden vallitessa.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen lämmön-siirtoputki, tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen määrä kehänmuotoisia kanavia (20) on syvempi kuin mainittu toinen määrä kehänmuotoisia kanavia (22). Θ. Menetelmä lämmönsiirtoputken (10) valmistamiseksi, jolla on ydinkohtakiehumiseen parempi ulkopinta, jossa menetelmässä putki (10) rivoitetaan spiraalimaisten ripojen (40; 140; 240) aikaansaamiseksi siihen, muodostetaan lukuisia poikittaisia uria (22) kunkin rivan kehän ympärille, ja progressiivisesti puristetaan uritettujen ripojen (40; 140; 240) kärkiä, jotta niistä tulisi litteitä ja ne aksiaalisessa suunnassa saisivat leveyden, joka on hieman pienempi kuin viereisten ripakierrosten jako, täten määrittäen kapean aukon (g, h, i; j, k, 1) ripakierrosten väliin, joka on yhteydessä suhteellisen suureen onteloon, joka on litistettyjen ripojen kärkien alla sijaitsevien vierekkäisten ripakierrosten sivujen määrittämä, tunnettu siitä, että mainitut kärjet on vaihtelevasti puristettu siten, että vierekkäisten ripakierrosten välillä sijaitsevien kapeiden aukkojen (20) leveys vaihtelee, jotta aikaansaataisiin sellainen vaihtelualue aukon leveyksiä (a, b, c), joka kattaa sekä isompia että pienempiä leveyksiä ie 83564 kuin optimaalinen minimihuokoekoko tietyn nesteen ydinkohta-kiehumieeeea tiettyjen olosuhteiden vallitessa.

9· Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että putkien (10) parannettu ulkopinta on muodostettu yhdellä syötöllä rivanmuodostuskoneen läpi.

10. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että se edelleen käsittää vaiheen, jossa muodostetaan useita spiraalimaisia sisäpuolisia harjanteita (16, 16', 16") putken sisäpintaan.

11· Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lukuisat spiraalimaiset sisäpuoliset harjanteet (16, 16', 16") on muodostettu siten, että niiden jako on pie nempi kuin 3,15 mm, harjanteen tyven leveyden (b) suhde jakoon (p) putken akselia pitkin mitattuna on suurempi kuin 0,45 ja pienempi kuin 0,90, niillä on spiraalimainen kaltevuuskulma o o (Θ), joka on n. 29 - 42 , jolloin putken ripakierrokset (40; 140; 240) on muodostettu siten, että ne sijaitsevat välimatkan päässä toisistaan jaolla, joka on vähemmän kuin 50 X spiraalimaisten sisäpuolisten harjanteiden (16, 16', 16”) jaosta (p) .