DE29516927U1 - Pipe for heat exchangers with vortex-generating current disturbance elements - Google Patents
Pipe for heat exchangers with vortex-generating current disturbance elementsInfo
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Description
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SGL TECHNIK GMBH D-86405 MeitingenSGL TECHNIK GMBH D-86405 Meitingen
Rohr für Wärmeaustauscher mit wirbelerzeugenden StromstörunaselementenTube for heat exchanger with vortex-generating flow disturbance elements
BeschreibungDescription
Die Erfindung bezieht sich auf ein Rohr für Rohrbündel von Wärmeaustauschern mit im Inneren des Rohres befindlichen, in der Strömung im Rohr Turbulenzen erzeugenden Elementen.The invention relates to a tube for tube bundles of heat exchangers with elements located inside the tube that generate turbulence in the flow in the tube.
Es ist bekannt, den Wärmeübergang zwischen Fluiden und diese begrenzenden Wänden durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit oder durch Erzeugung von Turbulenzen in der Strömung zu verbessern. Solche Turbulenzen werden durch wirbelerzeugende Stromstörungselemente erreicht. Vorbekannte Rohre dieser Art weisen im Prinzip Profilierungen der Rohrinnenfläche im Sinne von Wellungen, Vorsprüngen, Rippen oder dergleichen auf.It is known to improve the heat transfer between fluids and the walls that delimit them by increasing the flow velocity or by generating turbulence in the flow. Such turbulence is achieved by vortex-generating flow disturbance elements. Previously known pipes of this type basically have profiles on the inner surface of the pipe in the form of corrugations, projections, ribs or the like.
Die Anordnung wirbelerzeugender Stromstörungselemente auf der Innenfläche der Rohre wird dann problematisch, wenn das einzelne Rohr des Wärmeaustauschers aus einem Material besteht, dessen Wand nicht in der herkömmlichen Art verformt werden kann. Dies trifft insbesondere auf Rohre zu, die im Strangpreßverfahren hergestellt werden müssen. Hierzu offenbart die DE-OS 35 21 914, im einzelnen Rohr Stege anzuordnen, die das Rohr nicht völlig durchsetzen und wellenförmig geformt sind. Eine solche Formgebung ist aber nur im Strangpreßverfahren für Leichtmetall, insbesondere Aluminium denkbar, wo es durch geeignete Ausbildung des Rezipienten möglich ist, solche gewellten Stege herzustellen.The arrangement of vortex-generating flow disturbance elements on the inner surface of the tubes becomes problematic when the individual tube of the heat exchanger is made of a material whose wall cannot be deformed in the conventional way. This applies in particular to tubes that have to be manufactured using the extrusion process. For this purpose, DE-OS 35 21 914 discloses the arrangement of webs in the individual tube that do not completely penetrate the tube and are shaped in a wave-like manner. However, such a shape is only conceivable in the extrusion process for light metal, especially aluminum, where it is possible to produce such wavy webs by appropriately designing the recipient.
Dieses bekannte Verfahren ist aber dort nicht anwendbar, wo sich das Material des Rohres nicht in der bekannten Weise beim Strangpressen oder einem anderen Verfahren verformen läßt. Dies ist insbesondere bei Rohren aus metallischen Werkstoffen wie Titan, hochlegierten Stählen, Nickelbasislegierungen oder Rohren aus Siliciumcarbid und aus Graphit der Fall. Wärmeaustauscher mit Graphitrohren werden bevorzugt zum Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten, Dämpfen oder Gasen verwendet, die ein chemisch resistentes Rohrmaterial voraussetzen.However, this known method cannot be used where the material of the pipe cannot be deformed in the known manner by extrusion or another method. This is particularly the case with pipes made of metallic materials such as titanium, high-alloy steels, nickel-based alloys or pipes made of silicon carbide and graphite. Heat exchangers with graphite pipes are preferably used for heat exchange between liquids, vapors or gases that require a chemically resistant pipe material.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Rohre für die Verwendung in den Rohrbündeln von Rohrbündelwärmeaustauschern so auszubilden, daß sie in ihrem Inneren wirbelerzeugende und/oder die Strömungsgeschwindigkeit steigernde, die Fluidströmung störende Elemente aufweisen, ohne daß es auf die Verformbarkeit des Rohrmaterials ankommt. Im speziellen sollen durch die Erfindung Rohre aus Materialien, die schwer verformbar sind, insbesondere Rohre aus Graphit zugänglich sein, die eine verbesserte Wärmeübertragungsleistung aufweisen.The invention is based on the object of designing tubes for use in the tube bundles of tube bundle heat exchangers in such a way that they have elements inside them that generate vortices and/or increase the flow rate and disrupt the fluid flow, without the deformability of the tube material being important. In particular, the invention is intended to make it possible to produce tubes made of materials that are difficult to deform, in particular tubes made of graphite, which have improved heat transfer performance.
Die Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Innenwand des Rohres von der Fluidströmung im Rohr beeinflussenden Erhebungen und Vertiefungen frei ist und sich .im Innenraum des Rohres ein Strang befindet, dessen äußere Oberfläche mit in der Fluidströmung Turbulenzen erzeugenden Profilierungen versehen ist und daß zwischen dem Außenumfang dieses Stranges und der inneren Oberfläche des Wärmeaustauscherrohres ein Raum für das Durchströmen des Wärmeaustauscherrohres mit einem Fluid vorhanden ist.The problem is solved according to the characterizing part of claim 1 in that the inner wall of the tube is free of elevations and depressions that influence the fluid flow in the tube and in the interior of the tube there is a strand whose outer surface is provided with profiles that generate turbulence in the fluid flow and that between the outer circumference of this strand and the inner surface of the heat exchanger tube there is a space for a fluid to flow through the heat exchanger tube.
Die nachgeordneten Ansprüche stellen Ausgestaltungen der Erfindung und Anwendungen der erfindungsgemäßen LösungThe subordinate claims represent embodiments of the invention and applications of the inventive solution
dar. Sie werden hiermit in den beschreibenden Teil eingeführt .They are hereby introduced into the descriptive part.
Durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 1 werden in der das Rohr durchsetzenden Strömung mit einfachsten Mitteln Turbulenzen erzeugt. Gleichzeitig kann die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr erhöht werden. Beide Maßnahmen, das Hervorrufen von Turbulenzen und die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren führen jede für sich allein zu einer Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung der Rohre. Werden beide Maßnahmen gleichzeitig angewandt, so ist die Wärmeübertragungsleistung entsprechend höher. Zur Erzielung der beschriebenen Effekte muß lediglich ein passend profilierter Strang in das Rohr eingesetzt werden. Da diese Maßnahme nicht an die Rohrherstellung gekoppelt ist, können Wärmeaustauscherrohre zu jeder Zeit ihrer betrieblichen Existenz mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüstet werden. Es können sowohl Neuanlagen als auch bereits in Betrieb gewesene Anlagen damit bestückt werden. Letztere Möglichkeit ist besonders für die Anpassung bereits bestehender Wärmetauscher an geänderte Betriebsbedingungen von Vorteil. Aber auch bei der Auslegung von Neuanlagen sieht sich der Konstrukteur häufig mit Zwängen konfrontiert, bei deren Umgehung er von der Erfindung in vorteilhafter Weise Gebrauch machen kann. Wenn er beispielsweise aus räumlichen Gründen an eine bestimmte Wärmeaustauschfläche gebunden ist, mit der die verlangte oder erforderliche Austauschleistung mit normalen Rohren nicht erbracht werden kann, kann er nun auf die erfindungsgemäße Lösung zurückgreifen und die Leistung auf einfache Weise erhöhen. Bei Bedarf kann die Leistung zu einem späteren Zeitpunkt durch Entnahme aller oder eines Teils der Stränge wieder gesenkt und anderen Gegebenheiten angepaßt werden. Von diesem Beispiel ist leicht ableitbar, daßThe measures according to claim 1 generate turbulence in the flow passing through the pipe using the simplest of means. At the same time, the flow speed in the pipe can be increased. Both measures, generating turbulence and increasing the flow speed in the pipes, each lead to an improvement in the heat transfer performance of the pipes. If both measures are applied simultaneously, the heat transfer performance is correspondingly higher. To achieve the effects described, all that is required is to insert a suitably profiled strand into the pipe. Since this measure is not linked to the pipe production, heat exchanger pipes can be equipped with the strands according to the invention at any time during their operational existence. Both new systems and systems that have already been in operation can be equipped with them. The latter option is particularly advantageous for adapting existing heat exchangers to changed operating conditions. But even when designing new systems, the designer is often confronted with constraints that he can use the invention to an advantage in order to circumvent. If, for example, he is limited to a certain heat exchange surface for spatial reasons, which cannot provide the required or necessary exchange performance with normal pipes, he can now resort to the solution according to the invention and increase the performance in a simple way. If necessary, the performance can be reduced again at a later point in time by removing all or part of the strands and adapted to other conditions. From this example it is easy to deduce that
mit den Mitteln der Erfindung unter Konstanthalten der Warmeaustauschleistung im Vergleich zu herkömmlichen Wärmeaustauschern auch die Abmessungen von Wärmeaustauschern verringert werden können, indem der durch die Anwendung der erfinderischen Maßnahme erzielte Leistungsgewinn zur Reduzierung der Länge der verwendeten Rohre oder zur Verringerung von deren Anzahl im Wärmeaustauscher eingesetzt wird. Im ersteren Fall wird der Austauscher kürzer, im anderen schlanker. In manchen Fällen ergibt die verfahrenstechnische Auslegung, daß Rohre mit sehr kleinen Innendurchmessern erforderlich sind. Derartige Rohre sind aus produktionstechnischen Gründen und/oder wegen ihrer großen Bruchempfindlichkeit, wenn sie z.B. aus Siliciumcarbid oder Kohlenstoff bzw. Graphit bestehen, mit wirtschaftlich tragbarem Aufwand nicht herstellbar. Durch die Erfindung ist es nunmehr möglich, auch in den Bereich der Anwendung derartiger, schwer herstellbarer und praktisch nicht anwendbarer Rohre vorzustoßen, indem größere, mechanisch stabilere und mit vertretbarem Aufwand hergestellte Rohre herangezogen werden und diese durch Einsatz von Strängen gemäß der Erfindung so abgewandelt werden, daß sie dem technischen Wirkungsbereich der kleineren Rohre voll entsprechen.With the means of the invention, while keeping the heat exchange performance constant, the dimensions of heat exchangers can also be reduced in comparison to conventional heat exchangers by using the performance gain achieved by applying the inventive measure to reduce the length of the tubes used or to reduce their number in the heat exchanger. In the first case, the exchanger becomes shorter, in the other, slimmer. In some cases, the process design results in tubes with very small internal diameters being required. Such tubes cannot be manufactured at an economically viable cost for production reasons and/or because of their high fragility if they are made of silicon carbide or carbon or graphite, for example. The invention now makes it possible to also advance into the field of application of such pipes, which are difficult to manufacture and practically unusable, by using larger, mechanically more stable pipes that can be manufactured with reasonable effort and by modifying these by using strands according to the invention so that they fully correspond to the technical range of action of the smaller pipes.
Die Erfindung ist auf alle Arten von Rohren für Wärmeaustauscher anwendbar, die das Einführen von erfindungsgemäßen Strängen erlauben.The invention is applicable to all types of tubes for heat exchangers that allow the introduction of strands according to the invention.
Eine spezielle Bedeutung erlangt die Erfindung jedoch für solche Wärmeaustauscher, durch die flüssige, gasförmige oder dampfartige Materialien geleitet werden müssen, die chemisch widerstandsfähiges Material für die Rohre voraussetzen. Für solche Wärmeaustauscher sind Rohre aus speziellen, schwer verarbeitbaren metallischen Werkstoffen wie Titan, Titan-Palladium-Legierungen, hoch-However, the invention is of particular importance for heat exchangers through which liquid, gaseous or vaporous materials must be passed, which require chemically resistant material for the tubes. For such heat exchangers, tubes made of special, difficult-to-process metallic materials such as titanium, titanium-palladium alloys, high-
legierten Stählen oder Nickelbasislegierungen oder aus Keramik wie Siliciumcarbid und insbesondere aus Graphit geeignet. Ein besonderes Merkmal dieser Werkstoffe und hier speziell des Graphits ist, daß sie im Strangpreßherstellungsverfahren nicht mit wirbelerzeugenden Stromstörungselementen versehen werden können. Rohre aus diesen Werkstoffen liegen vielmehr als innenwandig im wesentlichen glatte Rohre vor. Wenn man·in solche Rohre die erfindungsgemäßen, Profilierungen des Außenumfanges aufweisende Stränge einsetzt, wird der Vorteil des widerstandsfähigen Materials mit der Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung kombiniert.alloyed steels or nickel-based alloys or ceramics such as silicon carbide and in particular graphite. A special feature of these materials, and here especially graphite, is that they cannot be provided with vortex-generating flow disturbance elements in the extrusion production process. Pipes made of these materials are essentially smooth pipes on the inside. If the strands according to the invention, which have profiles on the outer circumference, are used in such pipes, the advantage of the resistant material is combined with the improvement in heat transfer performance.
Die Profilierungen, mit denen die in die Rohre eingesetzten Stränge versehen sind, können mannigfaltige Formen haben. Sie müssen nur bewirken, daß laminare Strömungen in turbulente und leicht turbulente Strömungen in stärker turbulente Strömungen umgewandelt werden. Beispielhaft seien folgende Oberflächenausgestaltungen der Stränge angeführt: Verschiedene gewindeartige Formen, Rippen, Noppen, Stacheln und als bevorzugte Form, Wellen. Als weitere Formen können auch zu schneckenartigen Gebilden gedrehte Streifen, z.B. aus Blech, Kunststoff oder einem mit Fasern verstärkten Verbundwerkstoff, deren Flügel auch durchbrochen sein können oder in Form einer "Perlenschnur" hintereinander angeordnete Hohl- oder Vollkörper, beispielsweise aus Glas, Keramik, Kunststoff oder Kohlenstoff, die entweder stoffschlüssig miteinander verbunden sind oder beispielsweise mittels eines Drahtes oder eines aus Fasern oder Drähten bestehenden Stranges wie einer Kordel, hintereinander angeordnet sein können, angewendet werden. Die Stränge können innen hohl sein oder aus Vollmaterial bestehen. Wenn hohle Stränge verwendet werden, sind sie bevorzugt an mindestens einer Seite verschlossen, um die Ausbildung einer zweitenThe profiles with which the strands inserted into the pipes are provided can have a variety of shapes. They only have to ensure that laminar flows are converted into turbulent and slightly turbulent flows into more turbulent flows. The following surface designs of the strands are examples: various thread-like shapes, ribs, knobs, spikes and, as the preferred shape, waves. Other shapes that can be used include strips twisted into snail-like structures, e.g. made of sheet metal, plastic or a fiber-reinforced composite material, the wings of which can also be perforated, or hollow or solid bodies arranged one behind the other in the form of a "string of pearls", for example made of glass, ceramic, plastic or carbon, which are either bonded to one another or can be arranged one behind the other using a wire or a strand made of fibers or wires, such as a cord. The strands can be hollow inside or made of solid material. If hollow strands are used, they are preferably closed on at least one side to prevent the formation of a second
Strömungslinie im Rohr zu verhindern und eine Ansammlung oder ein Zurückbleiben von Fluid aus dem Wärmetauscher im Strang zu vermeiden. Wo dies sinnvoll ist, können auch beide Enden des Hohlstrangs verschlossen sein. Falls dies jedoch Vorteile bringt, ist es auch möglich, die Enden offen zu lassen. Vorzugsweise werden als hohle Stränge im Handel erhältliche, vergleichsweise preiswerte Wellrohre verwendet. Die hohlen Stränge können entweder teilweise oder ganz mit einem geeigneten Material gefüllt sein. Beispielsweise kann der im Wärmetauscher nach unten zeigende Teil des Stranges eine lediglich beschwerende Füllung enthalten, um den hängenden Strang zu straffen und an zu starken Hin- und Herbewegungen zu hindern oder der Innenraum des Stranges ist vollständig mit einem spezifisch leichten Material ausgeschäumt, um dem Strang eine gute Längsstabilität bei insgesamt geringem Gewicht zu geben.To prevent a flow line in the pipe and to prevent fluid from the heat exchanger from accumulating or remaining in the strand. Where this makes sense, both ends of the hollow strand can be closed. However, if this is advantageous, it is also possible to leave the ends open. Preferably, commercially available, relatively inexpensive corrugated pipes are used as hollow strands. The hollow strands can be filled either partially or completely with a suitable material. For example, the part of the strand pointing downwards in the heat exchanger can contain a filling that simply weighs it down to tighten the hanging strand and prevent it from moving too much back and forth, or the interior of the strand is completely foamed with a specifically light material to give the strand good longitudinal stability with an overall low weight.
Eine besonders bevorzugte Lösung der Aufgabe besteht darin, u-förmige Stränge, beispielsweise in eine U-Form gebogene Wellrohre zu verwenden. Die Schenkel eines solchen u-förmigen Stranges werden in zwei benachbarte Rohre des Wärmetauschers eingesetzt und der die Schenkel verbindende Teil bleibt naturgemäß außerhalb der Austauscherrohre. Hier kann auch das Verschließen der Enden unterbleiben, wenn die u-förmigen Stränge so angeordnet sind, daß ihre öffnungen in Richtung der Schwerkraft zeigen, daß also gegebenenfalls in die Innenräume der Stränge gelangtes Prozeßmedium wieder herausfließen kann. Auf diese Weise kann ein Wärmeaustauscher mit einfachsten Mitteln ohne größeren Aufwand mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüstet werden.A particularly preferred solution to the problem is to use U-shaped strands, for example corrugated pipes bent into a U-shape. The legs of such a U-shaped strand are inserted into two adjacent pipes of the heat exchanger and the part connecting the legs naturally remains outside the exchanger pipes. Here, the ends do not need to be closed if the U-shaped strands are arranged so that their openings point in the direction of gravity, so that any process medium that has entered the interior of the strands can flow out again. In this way, a heat exchanger can be equipped with the strands according to the invention using the simplest means and without great effort.
Das Befestigen der Stränge in den Wärmeaustauscherrohren geschieht mit einfachen, an sich bekannten Mitteln wie anThe strands are attached to the heat exchanger tubes using simple, well-known means such as
den Rohrenden angebrachten Aufhängungen oder Stegen oder durch die Strangenden geführte Stifte, die sich auf den Rohrenden abstützen.hangers or webs attached to the pipe ends or pins passed through the string ends which rest on the pipe ends.
Um das Einströmen der jeweiligen, in den Wärmetauschern Wärme tauschenden Fluide in die mit den erfindungsgemäßen Strängen ausgerüsteten Wärmetauscherrohre zu erleichtern, können nach einer anderen vorteilhaften Variante die Wärmetauscherrohre bzw. die mit den Rohrenden dieser Rohre fluchtenden Strömungskanäle in den oberen und unteren Rohrboden der Rohrbündel, in die diese Rohre eingebaut sind, am Einströmende konische oder keilförmige Erweiterungen haben. Diese Maßnahme wird besonders bei der Anwendung von u-förmigen Strängen an der Seite der u-förmigen Verbindung der Schenkel empfohlen. Sie ist aber nicht Bedingung. Wo dies vorteilhaft erscheint, können derartige Erweiterungen auch auf der Ausströmseite der Rohrbündel angebracht sein.In order to facilitate the flow of the respective fluids exchanging heat in the heat exchangers into the heat exchanger tubes equipped with the strands according to the invention, according to another advantageous variant, the heat exchanger tubes or the flow channels aligned with the tube ends of these tubes in the upper and lower tube sheets of the tube bundles in which these tubes are installed can have conical or wedge-shaped extensions at the inflow end. This measure is particularly recommended when using U-shaped strands on the side of the U-shaped connection of the legs. However, it is not a requirement. Where this appears advantageous, such extensions can also be attached to the outflow side of the tube bundles.
Der Werkstoff, aus dem die erfindungsgemäßen Stränge bestehen, richtet sich nach den Einsatzbedingungen, speziell nach dem Medium, dem die Stränge ausgesetzt sind und nach der vorgesehenen Betriebstemperatur. Der Fachmann wählt aufgrund seiner Kenntnisse das jeweils geeignete Material aus. Beispielhaft seien, ohne daß damit eine Beschränkung vorgenommen wird, einige der in Frage kommenden Materialien genannt: Metall, Kunststoff, Gummi, Holz, Keramik, Kohlenstoff. Von den Kunststoffen werden für Medien, die weniger aggressiv sind, bevorzugt Polypropylen (PP) oder Polyvinylchlorid (PVC) verwendet. In aggressiveren Medien und bei höheren Anwendungstemperaturen werden bevorzugt Stränge aus fluorhaltigen Polymeren wie Polytetrafluorethylen (PTFE), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Tetrafluorethylen-Perfluorpropylen-Copolymer (FEP) oder Copolymere von Tetrafluorethylen mitThe material from which the strands according to the invention are made depends on the conditions of use, especially on the medium to which the strands are exposed and on the intended operating temperature. The expert selects the appropriate material in each case based on his knowledge. Some of the materials that can be considered are, by way of example and without any limitation: metal, plastic, rubber, wood, ceramic, carbon. Of the plastics, polypropylene (PP) or polyvinyl chloride (PVC) are preferred for media that are less aggressive. In more aggressive media and at higher application temperatures, strands made of fluorine-containing polymers such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), tetrafluoroethylene-perfluoropropylene copolymer (FEP) or copolymers of tetrafluoroethylene with
Perfluoralkylvinylether (PFA) eingesetzt. Die Palette der Kohlenstoffmaterialien ist nicht auf nicht graphitischen und auf graphitierten Kohlenstoff beschränkt. Es können auch Teile aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kohlenstoff oder aus mit Kohlenstoffasern verstärktem Kunststoff Verwendung finden.Perfluoroalkyl vinyl ether (PFA) is used. The range of carbon materials is not limited to non-graphitic and graphitic carbon. Parts made of carbon fiber-reinforced carbon or carbon fiber-reinforced plastic can also be used.
Der Außendurchmesser des Stranges beträgt vorzugsweise ein Drittel bis acht Zehntel des Innendurchmessers des ihn umgebenden Wärmeaustauscherrohres. Diese Maßverhältnisse haben sich bei Wärmeaustauschern für aggressive chemische Medien, bei denen die Austauscherrohre aus Graphit und die Stränge aus Kunststoff bestanden, bewährt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Maßverhältnisse beschränkt. Im Bedarfsfall kann davon abgewichen werden.The outer diameter of the strand is preferably one third to eight tenths of the inner diameter of the heat exchanger tube surrounding it. These dimensional ratios have proven to be effective in heat exchangers for aggressive chemical media, in which the exchanger tubes are made of graphite and the strands are made of plastic. However, the invention is not limited to these dimensional ratios. If necessary, deviations can be made from them.
Für Fälle, bei denen der Strang innerhalb des Rohres lagestabil angeordnet sein muß, empfiehlt es sich, den Strang stellenweise an der glatten Rohrinnenwand abzustützen. Ganz allgemein kann dies dadurch erreicht werden, daß der Strang mit bekannten Mitteln wie beispielsweise Stegen, an der Innenwand des Austauscherrohres abgestützt wird. Bei der Wahl und der Anordnung der Abstützelemente sollte lediglich dafür Sorge getragen werden, daß die Strömung im Ringspalt nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Nach einer bevorzugten Vorgehensweise wird eine Abstützung erreicht, wenn der Strang das Rohr in einer Spiralform durchsetzt. Diese Spiralform entsteht bei biegsamem Material dadurch, daß man den, beispielsweise als Wellrohr ausgebildeten Strang beim Einsetzen in das Rohr um seine Achse verdreht oder ihn nach dem Einsetzen am entgegengesetzten Ende des Rohres, bzw. Rohrbodens arretiert, dann verdreht, dabei etwas staucht und ihn danach am anderen Ende des Rohres, bzw.In cases where the strand must be arranged in a stable position within the pipe, it is recommended that the strand be supported in places on the smooth inner wall of the pipe. In general, this can be achieved by supporting the strand on the inner wall of the exchanger pipe using known means such as webs. When selecting and arranging the support elements, care should only be taken to ensure that the flow in the annular gap is not significantly impaired. According to a preferred procedure, support is achieved when the strand passes through the pipe in a spiral shape. This spiral shape is created with flexible material by twisting the strand, for example in the form of a corrugated pipe, around its axis when inserting it into the pipe or by locking it after insertion at the opposite end of the pipe or tube base, then twisting it, compressing it slightly and then inserting it at the other end of the pipe or tube base.
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Rohrbodens ebenfalls festlegt. Auf diese Weise kommt es zu Abstützungen des Stranges an der Innenfläche des Rohres.tube sheet is also determined. In this way, the strand is supported on the inner surface of the tube.
Im folgenden wird die Wirksamkeit der Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel demonstriert:In the following, the effectiveness of the invention is demonstrated by an embodiment:
Alle Wärmeaustauscherrohre eines mit fluiddichten Graphitrohren, 32 mm Außendurchmesser und 22 mm Innendurchmesser bestückten, industriell anwendbaren Partialdruckkondensators wurden mit käuflichen, in U-Form gemäß Fig. 2 gebogenen Wellrohren aus Polytetrafluorethylen, deren größter, an der Wellung gemessener Durchmesser 16 mm und deren kleinster, an der Außenwand des Rohres, also am Boden der Wellung gemessener Durchmesser 14 mm betrug, bestückt. Es wurde die Wärmeübertragungsleistung des Partialdruckkondensators unter Beaufschlagung mit dem gleichen Produkt und mit dem gleichen Kühlmittel (Wasser) einmal ohne eingebaute, Turbulenzen erzeugende Stränge und einmal mit derartigen Strängen gemessen:All heat exchanger tubes of an industrially applicable partial pressure condenser equipped with fluid-tight graphite tubes, 32 mm outer diameter and 22 mm inner diameter were equipped with commercially available corrugated tubes made of polytetrafluoroethylene bent in a U-shape as shown in Fig. 2, the largest diameter of which, measured at the corrugation, was 16 mm and the smallest diameter of which, measured at the outer wall of the tube, i.e. at the bottom of the corrugation, was 14 mm. The heat transfer performance of the partial pressure condenser was measured under the same product and with the same coolant (water), once without built-in turbulence-generating strands and once with such strands:
Betriebsbedingungen/Meßergebnisse:Operating conditions/measurement results:
- Versuch ohne Stränge in den Rohren, Massestrom Produkt: 6066 kg/h- Test without strands in the pipes, product mass flow: 6066 kg/h
Temperatur des Produkts am Apparateeingang: 123,75 "C Temperatur des Produkts am Apparateausgang: 37,4 "C Massestrom Kühlwasser: 147 m3/n Temperatur des Kühlwassers am Apparateeingang: 21 "C Temperatur des Kühlwassers am Apparateausgang: 26 °CTemperature of the product at the device inlet: 123.75 "C Temperature of the product at the device outlet: 37.4 "C Mass flow of cooling water: 147 m 3 /n Temperature of the cooling water at the device inlet: 21 "C Temperature of the cooling water at the device outlet: 26 °C
- Versuch mit Strängen in den Rohren: Massestrom Produkt: 11058 kg/h- Test with strands in the pipes: Mass flow product: 11058 kg/h
Temperatur des Produkts am Apparateeingang: 123,60 0C Temperatur des Produkts am Apparateausgang: 39 0CTemperature of the product at the device inlet: 123.60 0 C Temperature of the product at the device outlet: 39 0 C
Massestrom Kühlwasser: 51Cooling water mass flow: 51
Temperatur des Kühlwassers am Apparateeingang: 20 0C Temperatur des Kühlwassers am Apparateausgang: 39 "CTemperature of cooling water at the device inlet: 20 0 C Temperature of cooling water at the device outlet: 39 "C
Ein Vergleich der bei den beiden Versuchen pro Zeiteinheit übertragenen Wärmemengen zeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Lösung 1,32 mal mehr Wärme übertragen worden ist wie bei dem Apparat ohne Stränge in den Wärmeaustauscherrohren. Die Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung wird dabei mit einer auf ca. 1/3 reduzierten Kühlwassermenge bei einer Steigerung des Produktdurchsatzes um fast das Doppelte erreicht.A comparison of the amounts of heat transferred per unit of time in the two tests shows that 1.32 times more heat was transferred with the solution according to the invention than with the apparatus without strands in the heat exchanger tubes. The increase in heat transfer performance is achieved with a cooling water quantity reduced to approx. 1/3 and an increase in product throughput by almost double.
Durch die folgenden Figuren wird die Erfindung mittels schematischer Darstellungen beispielhaft weiter erläutert.The invention is further explained by way of example in the following figures using schematic representations.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1: Einen Teillängsschnitt durch einen Rohrbündelwärmeaustauscher der eine erfindungsgemäße Rohranordnung wiedergibt.Fig. 1: A partial longitudinal section through a tube bundle heat exchanger which shows a tube arrangement according to the invention.
Fig. 2: Einen Teillängsschnitt durch einen Rohrbündelwärmeaustauscher, mit einem in benachbarte Wärmeaustauscherrohre eingesetzten u-förmigen Strang.Fig. 2: A partial longitudinal section through a tube bundle heat exchanger, with a U-shaped strand inserted into adjacent heat exchanger tubes.
Fig. 3: Eine Draufsicht auf die Stirnseite einer Kopfplatte des Rohrbündels eines Wärmetauschers, dessen Austauscherrohre mit u-förmig gestalteten Strängen ausgerüstet sind.Fig. 3: A top view of the front side of a head plate of the tube bundle of a heat exchanger, whose exchanger tubes are equipped with U-shaped strands.
Fig. 4: Einen Teillängsschnitt durch das Rohrbündel eines Wärmetauschers am Ort eines Austauscherrohres mit einem gefüllten Hohlstrang.Fig. 4: A partial longitudinal section through the tube bundle of a heat exchanger at the location of an exchanger tube with a filled hollow strand.
Fig. 5, 6 und 7:Figs. 5, 6 and 7:
Verschiedene Ausführungen von erfindungsgemäßen Strängen.Various embodiments of strands according to the invention.
Fig. 8, 8a, 8b, 8c:Fig. 8, 8a, 8b, 8c:
Ein Wärmeaustauscherrohr, in dem ein Strang entlang einer wendeiförmigen Linie an der Rohrwand anliegt und festgelegt ist.A heat exchanger tube in which a strand is attached and fixed along a helical line to the tube wall.
In dem Teillängsschnitt gemäß Fig. 1 ist ein Rohr 1 des Rohrbündels eines Rohrbündelwärmeaustauschers dargestellt, dessen produktberührten Teile mit Ausnahme des in die Rohre 1 eingesetzten Strangs aus Tantal bestehen.The partial longitudinal section according to Fig. 1 shows a tube 1 of the tube bundle of a tube bundle heat exchanger, the parts of which come into contact with the product, with the exception of the strand inserted into the tubes 1, are made of tantalum.
Das an seiner Oberfläche herstellungsbedingt glatte Tantalrohr 1 ist in den nur andeutungsweise wiedergegebenen oberen Rohrboden 2 und unteren Rohrboden 3 des Rohrbündels eingeschweißt. Der Strangkörper 4 ist ein in Form eines an seinem oberen Ende 5 durch Abquetschen und/oder Verschweißen verschlossenes, an seiner äußeren Oberfläche mit einem gewindeartigen Profil 6 versehenes Rohr aus FEP. An seinem unteren Ende 9 ist der Strangkörper 4 offen. Der die Turbulenzen hervorrufende und den fluidzugänglichen Innenquerschnitt 7 des Wärmeaustauscherrohres 1 verringernde Strangkörper 4 ist sowohl am oberen Rohrboden als auch am unteren Rohrboden 3 des Rohrbündels mittels je eines durch den Strang 4 geführten Stiftes 8, 81, der sich auf dem oberen 2 und dem unteren Rohrboden 3 abstützt, gehalten. Es ist möglich, den Strang 4 mittels dieser Arretierungen 8, 81 unter einer bestimmten Längsspannung zu halten, um ihn im Betrieb an die Strömung störendenThe tantalum tube 1, which is smooth on its surface due to the manufacturing process, is welded into the upper tube plate 2 and lower tube plate 3 of the tube bundle, which are only shown in outline. The extruded body 4 is a tube made of FEP in the form of a tube that is closed at its upper end 5 by squeezing and/or welding and has a thread-like profile 6 on its outer surface. The extruded body 4 is open at its lower end 9. The extruded body 4, which causes the turbulence and reduces the fluid-accessible internal cross section 7 of the heat exchanger tube 1, is held both at the upper tube plate and at the lower tube plate 3 of the tube bundle by means of a pin 8, 8 1 guided through the extruded body 4, which is supported on the upper 2 and the lower tube plate 3. It is possible to hold the extruded body 4 under a certain longitudinal tension by means of these locking devices 8, 8 1 in order to adapt it to elements that disrupt the flow during operation.
Hin- und Herbewegungen zu hindern. Durch Fig. la, die eine um 90° gedrehte Ansicht des oberen Teils der Fig. 1 wiedergibt, wird verdeutlicht, daß die Arretierung des Stranges 4 durch einen Stift 8 bewirkt wird. Das den Wärmeaustauscher durchsetzende Fluid strömt wie die Pfeile in den Fig. 1 und la andeuten, von unten nach oben durch den Wärmeaustauscher. Nach einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der größte Außendurchmesser a des Stranges 4 1/3 bis 8/10 des Innendurchmessers b des Wärmeaustauscherrohres 1.To prevent back and forth movements. Fig. 1a, which shows a view of the upper part of Fig. 1 rotated by 90°, shows that the locking of the strand 4 is effected by a pin 8. The fluid passing through the heat exchanger flows from bottom to top through the heat exchanger, as the arrows in Figs. 1 and 1a indicate. According to a preferred embodiment, the largest external diameter a of the strand 4 is 1/3 to 8/10 of the internal diameter b of the heat exchanger tube 1.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante der Erfindung wiedergegeben, bei der sich die Schenkel 10, 10' eines u-förmig gebogenen Wellrohres 11 in jeweils benachbarten Rohren 1, 1' eines Wärmeaustauschers befinden. Die Erhebungen 12 und Vertiefungen 12' auf der Oberfläche des Stranges 4, die die Turbulenzen in der in den Rohren 1, vorhandenen Strömung hervorrufen, verlaufen in Wendelform. Die produktberührten Teile des Wärmeaustauschers, von dem hier lediglich der obere Rohrboden 2 und zwei Rohre 1, 1» des Rohrbündels ausschnittweise wiedergegeben sind, bestehen mit Ausnahme der Strangkörper 4 aus mit einem Kunstharz imprägnierten Graphit. Die Graphitrohre 1, 1· sind in den oberen Rohrboden 2 und in den nicht dargestellten unteren Rohrboden des Rohrbündels eingeklebt 16. Die die Strangkörper 4 bildenden Gewinderohre bestehen aus Polypropylen. In dem hier nur zum Teil abgebildeten Wärmetauscher verläuft wie die Pfeile andeuten, der Produktstrom von oben nach unten durch die Rohre 1, 1·. An der Eintrittsseite 15, 15' des Produktstroms in die Rohre 1, I1 befindet sich ein sich entgegen der Strömungsrichtung beispielsweise konisch erweiternder Querschnitt 14, 14' um das Einströmen des Produktfluids in die Rohre 1, I1 zu erleichtern. Die Figur zeigt, daß die Stränge 4 bei dieser Anordnung in den Wärmeaustauscherrohren 1, I1 Fig. 2 shows a variant of the invention in which the legs 10, 10' of a U-shaped corrugated pipe 11 are located in adjacent pipes 1, 1' of a heat exchanger. The elevations 12 and depressions 12' on the surface of the strand 4, which cause the turbulence in the flow in the pipes 1, run in a spiral shape. The parts of the heat exchanger that come into contact with the product, of which only the upper tube plate 2 and two pipes 1, 1» of the tube bundle are shown in detail here, consist of graphite impregnated with a synthetic resin, with the exception of the strand bodies 4. The graphite tubes 1, 1· are glued 16 into the upper tube plate 2 and into the lower tube plate of the tube bundle (not shown). The threaded pipes forming the strand bodies 4 are made of polypropylene. In the heat exchanger, which is only partially shown here, the product flow runs from top to bottom through the tubes 1, 1·, as the arrows indicate. On the inlet side 15, 15' of the product flow into the tubes 1, 1 · there is a cross-section 14, 14' which widens, for example conically, against the direction of flow in order to facilitate the flow of the product fluid into the tubes 1, 1· . The figure shows that the strands 4 in this arrangement in the heat exchanger tubes 1, 1·
an ihrer oberen, der Einströmseite 15, 15' in die Austauscherrohre 1, 1', stets verschlossen sind. Es kann kein Produkt in sie eintreten. An ihrem, hier nicht sichtbaren, unteren Ende können die Stränge 4 entweder offen oder geschlossen sein. Sie können auch z.B. am unteren Rohrboden festgelegt sein oder nicht. Daß die u-förmige Ausführungsform auch erhebliche Vorteile bei der Montage bietet, ist unschwer einzusehen.are always closed at their upper end, the inflow side 15, 15' into the exchanger tubes 1, 1'. No product can enter them. At their lower end, not visible here, the strands 4 can be either open or closed. They can also be fixed or not, for example, at the lower tube sheet. It is easy to see that the U-shaped design also offers considerable advantages during assembly.
In der in Fig. 3 wiedergegebenen Draufsicht auf den oberen Rohrboden 2 eines Rohrbündels eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, in dem die Rohre 1 mit u-förmigen Strängen 4 bestückt sind, sind die Einströmöffnungen 15, 15' der Wärmeaustauscherrohre 1 und die sich jeweils über zwei benachbarte Rohre 1, I1 erstreckenden u-förmigen Enden der Stränge 4 zu sehen. Das Rohr I11 ist ein zugestöpseltes Blindrohr. Es könnte aber auch mit einem Wellrohr 4 gemäß Fig. 1 versehen sein.In the plan view shown in Fig. 3 of the upper tube sheet 2 of a tube bundle of a heat exchanger according to the invention, in which the tubes 1 are equipped with U-shaped strands 4, the inflow openings 15, 15' of the heat exchanger tubes 1 and the U-shaped ends of the strands 4, each extending over two adjacent tubes 1, 11 , can be seen. The tube 111 is a plugged blind tube. However, it could also be provided with a corrugated tube 4 according to Fig. 1.
In Fig. 4 sind andeutungsweise der obere 2 und der untere Rohrboden 3 eines Rohrbündels abgebildet, in die (2, 3) ein Austauscherrohr 1 eingeklebt (16) ist. Die produktberührten Teile des Austauschers bestehen mit Ausnahme des Strangkörpers 4 wiederum aus fluiddichtem Graphit. Der rohrförmige, an seinem oberen 5 und seinem unteren 9 Ende verschlossene Strangkörper 4 besteht aus einem gummiartigen Copolymeren aus Vinylidenfluorid mit Hexafluorpropylen, das im Handel unter der Marke ^iton erhältlich ist. Seine Oberfläche weist eine Vielzahl von Noppen 13 auf, um in der Strömung im Rohr 1 die gewünschten Turbulenzen hervorzurufen. Der Strangkörper 4 ist an seinem oberen Ende 5 mit einem ihn durchsetzenden, eingeschweißten Stift 8 aus PTFE an der Oberseite des oberen Rohrbodens 2 des Rohrbündels aufgehängt. In seinem unteren Teil enthält der Strangkörper 4 eine spezifisch schwereIn Fig. 4, the upper 2 and lower tube plate 3 of a tube bundle are shown, into which (2, 3) an exchanger tube 1 is glued (16). The parts of the exchanger that come into contact with the product, with the exception of the extruded body 4, are again made of fluid-tight graphite. The tubular extruded body 4, which is closed at its upper 5 and lower 9 ends, consists of a rubber-like copolymer of vinylidene fluoride with hexafluoropropylene, which is commercially available under the brand ^iton. Its surface has a large number of knobs 13 in order to produce the desired turbulence in the flow in the tube 1. The extruded body 4 is suspended at its upper end 5 by a welded-in PTFE pin 8 that passes through it on the top of the upper tube plate 2 of the tube bundle. In its lower part, the extruded body 4 contains a specific gravity
Masse 17, beispielsweise mit einem Kunstharz gebundenes Siliciumdioxid, Schwerspat oder Späne einer korrosionsfesten Legierung, um ihn zu straffen und gegen unerwünschte sowie unkontrollierbare Bewegungen in der Strömung zu sichern. Das Innere des Stranges 4 könnte auch zusätzlich oder unter Fortlassen der beschwerenden Füllung mit einem Kunststoff 19 ausgeschäumt sein, um dem Strang Längssteifigkeit zu verleihen.Mass 17, for example silicon dioxide, barite or chips of a corrosion-resistant alloy bonded with a synthetic resin, in order to tighten it and to protect it against undesirable and uncontrollable movements in the flow. The interior of the strand 4 could also be foamed with a plastic 19 in addition to or without the weighting filling in order to give the strand longitudinal rigidity.
In den Figuren 5, 6 und 7 sind einige weitere Beispiele für erfindungsgemäße Ausführungsformen von Strängen dargestellt. Figures 5, 6 and 7 show some further examples of embodiments of strands according to the invention.
Fig. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wärmeaustauscherrohr 1, das einen Hohlstrang 4 in Form eines Wellrohres enthält, auf dessen Oberfläche in wechselnder Folge Erhebungen 12 und Vertiefungen 12', die konzentrisch um die Längsachse des Rohres verlaufen, angeordnet sind.Fig. 5 shows a section of a heat exchanger tube 1, which contains a hollow strand 4 in the form of a corrugated tube, on the surface of which elevations 12 and depressions 12' are arranged in alternating sequence, which run concentrically around the longitudinal axis of the tube.
Durch Fig. 6 soll ein Strang 4, der die Gestalt eines in die Form einer Schnecke gedrehten Streifens hat und der z.B. aus Polyvinylchlorid oder einem Blech aus Edelstahl besteht, verdeutlicht werden.Fig. 6 is intended to illustrate a strand 4 which has the shape of a strip twisted into the form of a snail and which consists, for example, of polyvinyl chloride or a sheet of stainless steel.
Fig. 7 gibt einen Strangeinsatz 4 wieder, der einer Perlenschnur ähnlich aus geometrischen Körpern, vorzugsweise Rundkörpern besteht, die in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind. Im vorliegenden Fall sind Kugeln aus nicht graphitischem Kohlenstoff mittels eines Stranges aus Kohlenstoffasern hintereinander gehalten und in einem Wärmeaustauscherrohr 1 aus Apparatebaugraphit angeordnet.Fig. 7 shows a strand insert 4 which, similar to a string of pearls, consists of geometric bodies, preferably round bodies, which are arranged one behind the other in the longitudinal direction. In the present case, balls made of non-graphitic carbon are held one behind the other by means of a strand made of carbon fibers and arranged in a heat exchanger tube 1 made of apparatus construction graphite.
Fig. 8 zeigt in Verbindung mit den Figuren 8a, 8b und 8c eine Möglichkeit, einen Strang 4 aus einem ausreichend flexiblen Material in dem ihn umgebenden Wärmeaustauscher-Fig. 8 shows in conjunction with Figures 8a, 8b and 8c a possibility of inserting a strand 4 made of a sufficiently flexible material in the heat exchanger surrounding it.
rohr 1 ortsstabil zu halten. Die Abstützung wird hier dadurch erreicht, daß der Strang 4 nach dem Einführen in das Äustauscherrohr 1 und falls nötig, nach dem Festlegen des Stranges 4 am unteren Ende des Rohres 1 unter leichtem Stauchen derart um seine Längsachse verdreht wird, daß er die Form einer Wendel annimmt und entlang einer wendeiförmigen Berührungslinie an der Innenwand 18 des Austauscherrohres 1 anliegt und so gegen möglicherweise durch die Strömung verursachte Bewegungen abgestützt wird. Selbstverständlich muß der so verdrehte Strang 4 an seinem (nicht wiedergegebenen) oberen und unteren Ende im Austauscherrohr 1 oder an dem ebenfalls nicht dargestellten oberen und unteren Rohrboden des Rohrbündels gegen ein Zurückdrehen gesichert werden.tube 1 to keep it in a stable position. The support is achieved here by twisting the strand 4 around its longitudinal axis after it has been inserted into the exchanger tube 1 and, if necessary, after the strand 4 has been secured at the lower end of the tube 1, with slight compression, in such a way that it takes on the shape of a spiral and lies along a spiral-shaped contact line on the inner wall 18 of the exchanger tube 1 and is thus supported against movements possibly caused by the flow. Of course, the strand 4 twisted in this way must be secured against turning back at its upper and lower ends (not shown) in the exchanger tube 1 or at the upper and lower tube bottoms of the tube bundle (also not shown).
1, 1', 1" Rohre des Rohrbündels eines Wärmeaustauschers1, 1', 1" tubes of the tube bundle of a heat exchanger
2 oberer Rohrboden/Kopfplatte des Rohrbündels2 upper tube sheet/head plate of the tube bundle
3 unterer Rohrboden des Rohrbündels3 lower tube sheet of the tube bundle
4 Strangkörper/Strang4 strand bodies/strand
5 oberes Ende des Strangkörpers (4)5 upper end of the strand body (4)
6 gewindeartiges Profil des Strangkörpers (4)6 thread-like profile of the extruded body (4)
7 Innenquerschnitt des Rohres (1)7 Internal cross-section of the pipe (1)
8, 81 Stifte zum Halten des Stranges (4) 9 unteres Ende des Strangkörpers (4)8, 8 1 pins for holding the strand (4) 9 lower end of the strand body (4)
10, 10· Schenkel des u-förmig gebogenen Wellrohres10, 10· Legs of the U-shaped corrugated pipe
11 u-förmig gebogenes Wellrohr11 U-shaped corrugated pipe
12 Erhebungen J12 surveys J
V an der Oberfläche des Wellrohres 12' Vertiefungen jV on the surface of the corrugated pipe 12' recesses j
13 Noppen auf Strangkörper (4)13 studs on strand body (4)
14, 14' sich erweiternder Querschnitt14, 14' expanding cross section
15, 15' Einströmseite der Wärmetauscherrohre15, 15' Inlet side of the heat exchanger tubes
16 Einklebung der Graphitrohre in einen Rohrboden des Rohrbündels16 Bonding the graphite tubes into a tube sheet of the tube bundle
17 spezifisch schwere Füllung im Strangkörper (4)17 specific gravity filling in the strand body (4)
18 Innenwand des Rohres (1)18 Inner wall of the pipe (1)
19 Füllung in (4) aus geschäumtem Kunststoff19 Filling in (4) made of foamed plastic
Claims (12)
dadurch gekennzeichnet, daß2. Pipe (1) according to claim 1,
characterized in that
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 19960314 |
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R163 | Identified publications notified |
Effective date: 19960117 |
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R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 19981030 |
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |
Effective date: 20020129 |
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R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |
Effective date: 20040426 |
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R071 | Expiry of right |