DE2310315A1

DE2310315A1 - Waermetauscherrohr und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2310315A1
Application number: DE19732310315
Authority: DE
Inventors: Edward Paul Habdas; Michael William Jurmo; James Gordon Withers
Original assignee: Universal Oil Products Co
Current assignee: Universal Oil Products Co
Priority date: 1972-03-07
Filing date: 1973-03-01
Publication date: 1973-09-13
Also published as: JPS5641915B2; ATA175473A; FR2174872B1; IL41446A0; AR196754A1; CA968342A; EG10775A; ES214248Y; BR7301661D0; AU469249B2; DE2310315C3; JPS48101642A; DE2310315B2; ZA73737B; GB1418113A; AU5171573A; ES214248U; AT329608B; FR2174872A1; IT977286B

Description

DR-INQ. Din.-INC M.IC. niPL -"»H Y¹S. OR. DIPL. -PHYS.

HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

A 39 978 b

23.Februar 1973

k-35

Universal Oil Products Company 10 UOP Plaza-Algonquin & Mt. Prospect Roads, Des Piaines, 111. 60016 USA

Wärmetauscherrohr und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherrohr mit einer eingängigen, inneren, spiralförmigen Rippe sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

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23.Februar 1973 ο ο 1 η ο 1 c

k-35 I ο ι U ο Ib

Wie dies in der britischen Patentschrift 1 230 196, in der US-Patentschrift 3 612 175 und insbesondere in der US-Patentschrift 3 217 799 ziemlich ausführlich erläutert ist, kann die Wärmeübertragung gegenüber glatten Rohren beträchtlich verbessert werden, wenn man die Rohre an ihrer Innen- und/oder Aussenseite in spezieller Weise ausbildet. Wenn solche Rohre beispielsweise in Dampfkondensatoren eingesetzt werden sollen, in denen ein nur in einer einzigen Phase vorliegendes Medium, wie z.B. Wasser sich im Inneren der Rohre befindet, hat sich gezeigt, dass die grösste Veränderung, die man an einem glatten Rohr durchführen kann, um dessen Wärmeübertragungseigenschaften insgesamt zu verbessern, darin besteht, dass man seine innere Oberfläche modifiziert. Das Ziel der Oberflächenmodifikation besteht darin, die Wärmeübertragung zu erhöhen, indem man die innere Oberfläche wellt, um Turbulenzen in dem Medium zu fördern, ohne gleichzeitig eine solche Erhöhung des Strömungswiderstandes durch das Rohr herbeizuführen, dass dessen Gesamtwirksamkeit zu Null wird.

Um einen Vergleich der rohrseitigen Wärmeübertragungsleistung bei verschiedenen Rohren mit verschiedenen inneren Formen zu ermöglichen, kann die folgende spezialisierte Form der Sider-Tate-Gleichung verwendet werden:

^hi^Di /DiG\ °·⁸/ cpu\ ^1//3 / JU \ °·¹⁴ ν ⁼ Ci ( —— ι ι -—CZj I t J , κ \ju/ Vk/ * mOjJ

h. = Innenseitenkoeffizient der Wärmeübertragung, Btu/hr-sq ft" F

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23.Februar 1973 O T 1 Π Q 1 C

D- ^β Rohr-Innendurchmesser, ft

k ^β Wasser-Wärmeleitfähigkeit bei der Temperatur der Wasser-Hauptmasse, Btu/hr-sq ft F/ft

C, = innere Wärmeübertragungskoeffizientskcnstante, dimensionslos

G = Massenstromgeschwindigkeiten, lb/hr-sq ft C >= spezifische Wärme, Btu/lb°F

u = Wasserviskosität bei der durchschnittlichen Temperatur der Wasser-Hauptmasse, lb/ft-hr

nio * Wasserviskosität bei durchschnittlicher Wandtemperatur, lb/ft-hr

Die dimensionslose innere Wärmeübertragungskoeffizientskonstante "C^" für ein bestimmtes Rohr kann mit Hilfe eines modifizierten Wilson-AufZeichnungsverfahrens bestimmt werden, welches in der Zeitschrift "Industrial Engineering Chemistry Process Design & Development", Vol.10, Nr.1, 1971, Seiten 19 bis 30, in dem Aufsatz "Dampfkondensation in vertikalen Reihen von horizontalen, gewellen und glatten Rohren" von J.G. Withers and E.H.Young beschrieben ist. Obwohl es im allgemeinen wünschenswert ist, ein Rohr so zu gestalten, dass "C^" ein Maximum ist, gibt es viele Fälle, in denen es wünschenswert sein könnte, dass"C " einen niedrigeren, jedoch vorgegebenen Wert besitzt. Die zuletzt erwähnte Situation könnte beispielsweise in einem Falle gegeben sein, in welchem der zulässige Druckabfall stark eingeschränkt ist. Ein anderes erwünschtes Konstruktionsmerkmal besteht darin, dass der gewellte Abschnitt des Rohres einen Durchmesser besitzt,

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der gleich dem Durchmesser der Rohrenden ist, da ein Rohr weniger Reibungsverluste und einen geringeren Druckabfall hervorruft, wenn sein gewellter Teil statt eines kleineren Durchmessers einen Durchmesser besitzt, der ebenso gross ist, wie der der Rohrenden.

Im Hinblick auf die vielen Parameter, die die Wärmeübertragung und den Druckabfall, der durch ein Rohr verursacht wird, beeinflussen, wäre es ferner äusserst wünschenswert, in der Lage zu sein, die Eigenschaften einer bestimmten Rohrkonstruktion vorauszusagen und diejenige Form vorhersagen zu können, bei welcher die maximale Leistung erreicht wird.

Ausgehend von den vorstehend aufgezeigten Zusammenhängen und dem genannten Stand der Technik lag der vorliegenden Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein metallisches Wärmetauscherrohr mit einer einzigen Spirale vorzuschlagen, dessen Innenwand eine solche Form hat, dass sich eine vorausberechenbare Wärmeübertragungsleistung, insbesondere eine optimale Wärmeübertragungsleistung, der Innenfläche des Rohres ergibt.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch ein Wärmetauscherrohr der eingangs beschriebenen Art gelöst, welche-s dadurch gekennzeichnet ist, dass die Form der Innenwand durch folgende Gleichung beschrieben werden kann:

0 = I

wobei 0 ein dimensionsloser Parameter ist, wobei e die Höhe der spiralförmigen Rippe ist, wobei ρ die Steigung der spiralförmigen Rippe ist und wobei d. der Innendurchmesser ist, und

-2
dass 0 grosser als 0,1 χ 10 und nicht grosser als etwa

0,365 χ 10"² ist.

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Die Funktion der Rippe besteht darin, dass sie die durch das Rohr fliessende Flüssigkeit verwirbelt, so dass die Flüssigkeit längs der Rohrwandung keine Grenzschichten ausbilden kann, welche die Wärmeübertragung von der Flüssigkeit zu der Rohrwan?· dung behindern würden. Obwohl bereits früher einige bedeutende geometrische Überlegungen, welche die Wärmeübertragungsleistung beeinflussen, mitgeteilt wurden, ist es bisher noch nicht gelun gen, die geometrischen Charakteristika in einer Weise miteinander zu verknüpfen, welche es ermöglicht, die Abhängigkeit des Wärmeübertragungskoeffizienten "C." von den verschiedenen geometrischen Parametern vorherzusagen. So wird beispielsweise in der US-Patentschrift 3 217 799 das Verhältnis des Abstandes zwischen zwei verschiedenen Rippen zu der Rippenhöhe als der entscheidende Parameter herausgestellt. Obwohl dieses Verhältnis sehr wichtig ist, ist es nicht ausreichend, um die günstigste Rohrform in einer solchen Weise anzunähern, dass die Leistung des Wärmetauscherrohres vorhergesagt oder optimiert werden kann.

Nach gründlichem Studium der Daten vieler Rohre hat es sich nun gezeigt, dass ein geometrischer Parameter vorhanden ist, der mit dem Wärmeübertragungskoeffizienten "C." gut korreliert ist. Dieser Parameter ist ein dimensionsloser Parameter (severity parameter) 0, der von der Rippenhöhe (e), der Steigung (p) und dem Innendurchmesser (d.) in einer Weise beeinflusst wird, dass die folgende Gleichung gilt:

Die Daten von vielen verschiedenen Rohren mit einer eingängigen, spiralförmigen Rippe auf ihrer Innenseite haben gezeigt, dass

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zwischen C. und 0 eine ziemlich bemerkenswerte Verknüpfung besteht, und eine Aufzeichnung der Daten zeigt an, dass es einen maximal möglichen Wert für C. gibt und dass dieser maximale Wert bei einem bestimmten Wert von 0 auftritt und nicht in einem Bereich von Werten von 0. Da sich gezeigt hat, dass der maximale Wert/C, auftritt, wenn 0 = 0,365 χ IO , ist es möglich, das Rohr so zu gestalten, dass es jeden gewünschten Wert von C. zwischen dem Maximalwert und dem Wert für das glatte Rohr annimmt. Obwohl es sich gezeigt hat, dass die Verknüpfung zwischen C. und 0 für die überwiegende Mehrheit aller untersuchten Rohre gilt, wurde festgestellt, dass bei einigen wenigen Rohren die Abmessungen des Kamms der spiralförmigen Rippe kritisch sind, da die gemessenen Werte für C^ für diese Rohre nicht dem Wert entsprachen, welcher anhand der Cj-0-Verknüpfungskurve vorhergesagt wurde. Glücklicherweise kann diese Situation mit Hilfe eines verstärkenden Kriteriums gelöst werden, welches einen Parameter X verwendet, welcher wie folgt definiert ist

"ι

wobei t und y gleich der Breite bzw. Höhe des Kammes der Rippe sind, wobei e die Rippenhöhe ist und wobei d. der Innendurchmesser des Rohres ist. Es wurde eine graphische Darstellung von C^ über X hergestellt, welche zeigt, dass der Maximalwert von C. dem extremen Maximalwert von X entspricht. Obwohl die Verknüpfung mit X nicht so gleichförmig ist wie die mit 0, hat es den Anschein als ob sie die Vorhersage von C. mit einer Genauigkeit von 10 %, bezogen auf den gemessenen Wert ermöglicht. Wenn man sowohl die X- als auch die 0-Verknüpfungs- kurve verwendet, sobald der Wert 0 eines an seiner Innenseite

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mit einer eingängigen, spiralförmigen Rippe versehenen Rohres den Wert 0,25 χ 10 überschreitet und wenn von den durch die beiden Korrelationskurven vorhergesagten C^-Werten jeweils der niedrigere ausgesucht wird, kann man mit einem hohen Grad von Genauigkeit die Wärmeübertragungsleistung im Inneren des Rohres für eine turbulente Strömung eines nur in einer einzigen Phase vorliegenden Mediums im Inneren des Rohres vorher-

-2 sagen. Für Werte von 0 unterhalb 0,25 χ 10 besteht keine Notwendigkeit, die Beziehung zwischen C. und X auszuwerten. Eine andere Möglichkeit zum Vermeiden der Notwendigkeit der Benutzung der C,-X-Bezifihung für Werte von 0 oberhalb von

-2 -

0,25 x 10 besteht darin, dass man einfach Werte von t vermeidet, die unter 0,085" liegen, da Abweichungen von der

C.-0-Verknüpfung nur für Fälle gefunden wurden, in denen kleine Werte der Kammbreite der Rippe vorlagen.

_2
Eine obere Grenze von 0,365 χ 10 für den Faktor 0 ist sehr erwünscht, da jenseits dieses Wertes der Wert von C^ abfällt, während der Reibungsfaktor, welcher ein direktes Mass für den Druckabfall darstellt, ansteigt. Werte von 0, welche grosser

-2
sind als 0,365 χ 10 sollten bei Rohren, welche von einem nur in einer Phase vorliegenden Medium durchströmt werden, nur in Betracht gezogen werden, wenn die Steuerung des thermischen Widerstandes über die äussere Oberfläche erfolgt und wenn eine stark konturierte äussere Oberfläche aufgrund ihres Beitrags zu einer Verbesserung gerechtfertigt ist und wenn schliesslich die Form der Innenseite des Rohres eine FoXP der Gestaltung der Aussenflache des Rohres ist. Obwohl die Beziehung zwischen C. und 0 bis zu dem Wert 0 = Null zu gelten scheint, d.h. also bis zu einer glatten Innenfläche des Rohres, wird für 0 vorzugsweise eine untere Grenze von 0,1 χ 10 angenommen, da die Verbesserung des Wertes von C^ gegenüber demjenigen für das glatte Rohr für niedrigere Werte von 0 relativ unbedeutend ist. - 8 -

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Für die Herstellung eines erfindungsgemässen Wärmetauseherrohres hat^ich in Weiterbildung der Erfindung ein Verfahren bewährt, welches durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:

a) es wird ein glattes Metallrohr aus einem geeigneten Material und mit einem geeigneten Durchmesser sowie mit geeigneter Wandstärke ausgewählt;

b) mindestens ein Teil des Metallrohres wird unter einem solchen Spiralwinkel und bis zu einer solchen Tiefe gewellt, dass die Steigung (p) der spiralförmigen Rippe, der Innendurchmesser (d^ und die Höhe (e) der dabei auf der Innenseite des Metallrohres erzeugten Rippe solche Werte aufweisen, dass

ρ . d_±

-2 zwischen etwa O und etwa 0,365 χ 10 liegt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand von Unteransprüchen. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Wärmetauscherrohres gemäss der Erfindung mit einem nicht gewellten Ende, und zwar teilweise im Schnitt;

Fig. 2 einen vergrösserten Längsschnitt durch einen Teil des gewellten Abschnitts des Wärmetauscherrohres gemäss Fig.l;

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Fig. 3 einen der Fig.2 ähnlichen Längsschnitt für eine abgewandelte Ausführungsform;

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Wärmeübertragungsleistung für eine Anzahl von Rohren mit einer eingängigen spiralförmigen Rippe auf ihrer Innenseite, wobei die aus der Sieder-Tate-Gleichung erhaltene Konstante C. als Funktion des Parameters 0 aufgetragen ist;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Wärmeübertragungsleistung einer Anzahl von Rohren, die an ihrer Innenseite mit einer eingängigen spiralförmigen Rippe versehen sind, wobei die Konstante C. gemäss der Sieder-Tate-Gleichung als Funktion der Grosse X aufgetragen ist, welche die Kammbreite der Rippe erfasst;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Wärmeübertragungsleistung von mehreren Rohren mit einer eingängigen spiralförmigen Rippe auf ihrer Innenseite, und zwar normiert auf die Warmeubertragungsleistung eines glatten Rohres als Funktion des Parameters 0;

Fig. 7 eine graphische Darstellung des Druckabfalls für mehrere Rohre mit einer eingängigen spiralförmigen Rippe auf ihrer Innenseite, und zwar bei einer Reynolds-Zahl von 35 OOO als Funktion des Parameters 0;

Fig. 8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Einflusses der Spiralsteigung auf den äusseren Rohrdurchmesser für den Fall, dass eine eingängige spiralförmige Rippe durch einen Wellvorgang auf der Aussenseite des Rohres erzeugt wird und

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Pig. 9 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Spiralsteigung, die für ein gewelltes Rohr mit gleichförmigem Durchmesser erforderlich

ist und dem Produkt aus Aussendurchmesser und Wandstärke des Rohres.

Das in Fig.l gezeigte erfindungsgemässe Wärmetauscherrohr 10 besitzt ein glattes Ende 12 und einen gewellten Bereich 14. Der Aussendurchmesser AB des glatten Endes 12 ist vorzugsweise gleich oder geringfügig grosser als der Aussendurchmesser CD des gewellten Bereichs 14, während die Wandstärke DE des glatten Endes gleich der Wandstärke CF des gewellten Bereiches ist. Der Abstand GH zwischen identischen Punkten auf benachbarten Windungen der Rippe an der Innenseite des Rohres, welche durch den Wellvorgang erzeugt wird, ist als Steigung ρ definiert .

Aus der Vergrösserung des gewellten Bereiches 14, welchen Fig.2 zeigt, kann man erkennen, dass die gewellte Innenseite des Rohres Rippenbereiche 20 und Verbindungsbereiche 22 aufweist. Die Rippenbereiche 20 sind gegen das Innere des Rohres im we sentlichen konvex gewölbt, während die Verbindungsbereiche 22 im wesentlichen konkav sind. Rippenbereiche 20 und Verbindungs-

XaJ f^t T^ (m r^ "^

bereiche 22 gehen im Bereich von /punkten 26 glatt inein ander über. An dieser Stelle haben der Rippenbogen 20' und der Verbindungsbereichbogen 22' eine gemeinsame Tangente. Der konvex gewölbte Teil 27 des Rippenbereichs 20 zwischen den Wendepunkten 26 wird nachstehend als Kamm bzw. Rippenkamm be zeichnet. Der Rippenkamm hat zwischen den Wendepunkten 26 eine Breite t und zwischen seinem Scheitel 28 und den Wende punkten 26 eine Höhe y. Als Rippenhöhe e ist der radiale

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Abstand zwischen dem Scheitel 28 des Rippenkamms und dem äussersten Punkt 30 auf der Innenseite des Verbindungsbereiches 22 bezeichnet. Als Innendurchmesser d. ist der diametrale Abstand zwischen Punkten 30 an gegenüberliegenden Seiten des Rohres bezeichnet. Als Steigung ρ ist der Abstand zwischen jeweils zwei identischen Punkten auf benachbarten Windungen der Rippe 2O bezeichnet, beispielsweise der Abstand zwischen den Punkten 28.

Fig.3 zeigt ein gegenüber den Fig. 1 und 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Wärmetauscherrohres, bei welchem die Verbindungsbereiche 122 eine andere Form haben als die konkaven Verbindungsbereiche 2 2 in Fig.2. Der Verbindungsbereich 122 ist über einen Teil 34 seiner Länge flach. Die Aussenseite des Rohres ist in Fig.3 weqgebrochen, um die Tatsache zu zeigen, dass dieses Rohr eine Anzahl von verschiedenen äusseren Oberflächenformen besitzen kann, die von der Oberflächenform gemäss Fig.2 abweichen. Da sich die vorliegende Erfindung mit der Verbesserung der Wärmeübertragung an der Innenseite des Rohres befasst, besteht jedoch kein Bedürfnis, die Gestaltung der Aussenseite des Rohres näher zu diskutieren, da diese von dem auf der Aussenseite des Rohres herrschenden Wärmeübertragungsbedingungen abhängt.

Fig.4 zeigt eine graphische Aufzeichnung von Daten, die bei der Untersuchung eines glatten Rohres und einer Vielzahl von Rohren gewonnen wurden, welche auf ihrer Innenseite eine eingängige spiralförmige Rippe aufwiesen, wobei ein modifiziertes Wilson-Aufzeichnungsverfahren angewandt wurde, welches oben erwähnt wurde, um die Werte der Konstanten C. der Sieder-Tate-Gleichung zu bestimmen. An der Abszisse der graphischen Darstellung ist der Parameter 0 aufgetragen, welcher e ist,

P d_±

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wobei e gleich die Tiefe der Einprägungen (Fig.2) ist, wobei b die Steigung ist und wobei d. der Innendurchmesser ist. Der Parameter 0 ist als ein Strenge- (severity) Paramter definiert, da er stark von der Rippenhöhe bzw. der Strenge oder Schärfe der Einprägungen abhängig ist. Aus der Kurve 36 wird deutlich, dass die Konstante C. einen Höchstwert erreicht,

-2

wenn 0 = 0,365 χ 10 ist, und dann abfällt, wenn 0 weiter ansteigt. Der rechte Teil der Kurve 36 gilt für einige vorbekannte Rohre. Der Punkt 38 gilt für das Ein-Zoll-Rohr und der Punkt 40 für das 5/8-Zoll-Rohr, welches in dem obenerwähnten Aufsatz von Withers und Young besprochen wurde.

Die geprüften Rohre mit einer eingängigen spiralförmigen Rippe an der Innenseite besassen Rippenhöhen e zwischen 0,014 und 0,046", eine Steigung ρ zwischen 0,240 und 0,625"und einen Innendurchmesser d. zwischen 0,530 und 1,288". Diese Werte Stellen jedoch keine Grenzwerte dar, da nach diesseitiger Auffassung e mindestens gleich 0,09" sein könnte, da die Steigung ρ mindestens 1,2" betragen könnte und da der Innendurchmesser dj jeden Wert bis etwa 3" annehmen könnte.

Obwohl der Parameter 0 eine hervorragende Korrelation zwischen der Rohrgeometrie und der Sieder-Tate-Konstante C₁ zeigt, welche es sehr einfach macht, ein Rohr durch Wahl der Parameter e, ρ und d. zu entwerfen, um den nötigen Wert von 0 für den gewünschten Wert von C. zu erhalten, war die Korrelation (Kurve 36) für einige wenige Rohre nicht haltbar, wie dies aus den Punkten 38, 44 und 46 in Fig.4 deutlich wird. Diese abweichenden Rohrkonstruktionen führten für ihre speziellen 0-Werte zu niedrigeren Werten von C. als dies anhand der Kurve 36 gemäss Fig.4 vorausgesagt wurde. Glücklicherweise stellte es sich jedoch heraus, dass diejenigen Rohre, welche nicht auf die Kurve fielen, verhältnismässig kritische Rippenkammabmes-

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sungen besassen. Durch Vermeiden von Rohren mit einer Rippenkammbreite t von weniger als 0,85" kann der Konstrukteur sicherstellen, dass die in Fig.4 gezeichnete Korrelationskurve 36 zutreffend ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen anderen Parameter zu benutzen, welcher teilweise eine Funktion der Rippenkammabmessungen ist, um den Wert von C. vorherzusagen. Dieser Parameter ist mit X bezeichnet und ist gleich

β t y,

wobei e die Rippenhöhe ist, wobei t die Breite des Rippenkamms ist und wobei d^ der Innendurchmesser ist. Wie aus Fig.5 deutlich wird, besteht eine ziemlich gute Korrelation zwischen C. und X, die darin besteht, dass C_i ansteigt, wenn X ansteigt. Die C.,-X-Kurve 48 in Fig.5 braucht für Rohre, bei denen der

-2 Wert von 0 kleiner ist als 0,025 χ 10 nicht in Betracht ge-

_2

zogen werden. Wenn 0 grosser ist als 0,25 χ 10 , sollten sowohl die 0-Korrelationskurve 36 in Fig.4 als auch die X-Korrelationskurve 48 in Fig.5 betrachtet werden, wobei der sich dabei ergebende geringere Wert für C* als der genauere angesehen werden sollte.

Fig.6 zeigt eine der Fig.4 ähnliche graphische Darstellung, in welcher die Kurve 50 den Zusammenhang zwischen den C.-Werten und dem Parameter 0 wiedergibt, wobei die C.-Werte jedoch auf den (C.)p-rWert normiert sind. Dieses abgewandelte Verfahren der Darstellung des Zusammenhanges zwischen C. und 0 ist nützlich, wenn man die Ergebnisse aus der verschiedenen Laboratorien vergleicht, da der Basiswert (C:)p für das glatte Rohr bei unterschiedlichen Versuchsaufbauten etwas schwanken kann.

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Fig.7 zeigt eine graphische Darstellung des Druckabfalls über dem Parameter 0 für Rohre mit einer eingängigen spiralförmigen. Rippe auf ihrer Innenseite, wobei der Druckabfall als Rei bungsfaktor f dargestellt ist,und zwar bei einer Reynold-Zahl von 35 000 als Bezugsgrösse. Es herrscht allgemeine Überein stimmung, dass der Reibungsfaktor f ein direkter Index des Druckabfalls pro Längeneinheit des Rohres ist, solange man Rohre eines vorgegebenen Durchmessers bei der gleichen Reynolds- Zahl vergleicht. Da aus der Kurve 56 gemäss Fig.7 deutlich wird, dass der Druckabfall mit dem Parameter 0 erheblich an steigt, ist es wünschenswert, dass die Rohre so gestaltet werden, dass man nicht zulässt, dass 0 über den Optimalwert

—2
von 0.365 χ IO ansteigt. Ein solcher Anstieg von 0 würde nicht nur einen geringeren Wert von C. zur Folge haben, son dern vermutlich auch einen unerwünschten Anstieg des Druckabfalls. In gewissen Fällen können vorgegebene Einschränkungen bezüglich der Länge, des Druckabfalls, des Durchmessers usw.

es als zweckmässig erscheinen lassen, einen_xWert von 0 zu

-2
wählen, der unterhalb 0,365 χ 10 liegt, selbst wenn damit ein geringerer Wert von C, verbunden ist.

Fig.8 erläutert den Einfluss der Spiralsteigung ρ auf den

Aussendurchmesser eines gewellten Rohres für den .Fall, dass eine eingängige spiralförmige Rippe an der Innenseite des Rohres durch einen Wellvorgang auf der Aussenseite des Rohres erzeugt wird, wie er z.B. in dem schon erwähnten US-Patent 3 128 821 beschrieben ist. Die Kurve 58 zeigt, dass durch Ver änderung der Steigung ρ der Aussendurchmesser CD (Fig.2) des gewellten Bereichs 14 verändert werden kann, so dass er im Vergleich zu dem Aussendurchmesser AB des glatten Endes 12 des Wärmetauscherrohres 10 vergrössert oder verkleinert ist. Die Kurve 58 wird für jede bestimmte Legierung, für je-

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den Durchmesser und für jede Wandstärke erhalten, indem man nach Wunsch eine gegebene Welltiefe auswählt, indem man das Rohr unter verschiedenen Spiralwinkeln wellt und indem man den erhaltenen Aussendurchmesser und die entsprechende Steigung für jeden der Spiralwinkel misst. Durch Verbindung der Testpunkte zu einer Kurve, wie sie in Fig.8 gezeigt ist, kann die Steigung, die erforderlich ist, um einen gleichmässigen Durchmesser zu erhalten, ohne weiteres bestimmt werden.

Fig.9 zeigt eine graphische Darstellung der Spiralsteigung, die erforderlich ist, um ein gewelltes Rohr mit einem gleichmässigen Durchmesser zu erhalten, und zwar für jedes spezielle Produkt aus dem Rohraussendurchmesser und seiner Wandstärke. Der spezielle, durch die Kurve 60 wiedergegebene Zusammenhang wurde aus Daten gewonnen, welche für ein gegebenes Rohrmaterial (90-10 Kupfer-Nickel) und eine gegebene Well- bzw. Nuttiefe (O,O32^M) gewonnen wurden, wobei das Rohr in einer einzigen Spirale gewellt wurde, und zwar mit Hilfe einer Vorrichtung, wie sie die US-Patentschrift 3 128 821 zeigt. Eine Reihe derartiger Kurven könnte für andere Rohrmaterialien und Welltiefen bestimmt werden. Die Korrelation ist möglich, da Experimente gezeigt haben, dass eine gewisse Spiralsteigung (ρ) _f existiert, welche zu einem Erzeugnis mit gleichförmigem Durchmesser führt, und zwar in dem Sinn, dass der maximale projizlerte Aussendurchmesser des gewellten Bereichs im wesentlichen gleich dem Aussendurchmesser des als Ausgangsmaterial verwendeten Rohres ist.

Um die Lehren der vorliegenden Erfindung auf ein Rohr mit einer eingängigen spiralförmigen Rippe auf der Innenseite anzuwenden, bei welchem eine optimale Wärmeübertragung zwischen einem in einer einzigen Phase in dem Rohr vorhandenen Medium und der Rohroberfläche erfolgen³?}¹ sollte das folgende Verfahren angewandt werden:

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1. Materialaussendurchmesser und Wandstärke werden so ausgewählt, dass sich beispielsweise die erforderliche Korrosionsfestigkeit, die erforderliche Stärke und vernünftige Kosten für den angestrebten Verwendungszweck ergeben.

2. Unter der Voraussetzung, dass ein Erzeugnis mit gleichförmigem Durchmesser erwünscht ist, wird der Aussendurchmesser mit der Wandstärke multipliziert und die entsprechende Steigung wird aus einer Kurve, *ie beispielsweise der Kurve 60 in Fig.9,abgelesen. Wenn die Kurve 60 für das gewellte Material und die spezielle Welltiefe noch nicht bestimmt wurde, kann die richtige Spiralsteigung für verschiedene Welltiefen durch Versuche ermittelt werden, indem man verschiedene Spiralwinkel und Welltiefen auswählt bis der Durchmesser konstant bleibt. Diese Versuche sollten fortgesetzt werden bis mehrere Kombinationen bekannt sind, die zu einem konstanten Aussendurchmesser führen.

e² -2

3. Unter Verwendung der Gleichung 0 = —-. = 0.365 χ 10

sollten verschiedene Werte für ρ ausprobiert werden bis ein resultierender Wert für e gefunden ist, welcher mit der Welltiefe identisch ist, die bei dem speziellen Wert von ρ erforderlich ist, um einen konstanten Durchmesser zu erhalten.

Wenn es erwünscht ist, ein Rohr so zu gestalten, dass C. ein spezieller Wert unterhalb des Maximalwerts ist, kann der dem gewünschten C.-Wert entsprechende Wert von 0 anhand der Kurve in Fig.4 ermittelt werden. Die Werte von ρ und e, welche benutzt werden sollten, können dann, wie in dem vorhergehenden Beispiel erläutert, bestimmt werden. Beim Anstreben eines Maximalwertes oder eines bestimmten Wertes für C, sollte der Konstrukteur ferner die Kurve 48 in Fig.5 prüfen, wenn 0

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-2
zwischen 0,25 und O_t365 χ 10 liegt und wenn t kleiner ist als 0,085", um sicherzustellen, dass ein so hoher C₁ erreicht wird, wie er durch die Kurve 36 vorhergesagt wird.

Die Lehren der vorliegenden Erfindung, welche sich damit befassen, Rohre so zu gestalten, dass eine maximale interne Wärmeübertragung erfolgt, sind auf alle üblichen Rohrmaterialien anwendbar, beispielsweise auf Kupferlegierungen, auf Titan, auf rostfreien Stahl, auf Kohlenstoffstahl und auf Aluminium und sind unabhängig vom Aussendurchmesser und von der äusseren Gestalt des Rohres.

Unter all den Rohren, die untersucht wurden, um die verschiedenen vorstehend aufgeführten Zusammenhänge klarzustellen, schien eines den vorausgesagten Kriterien für ein Rohr mit einer eingängigen, spiralförmigen Rippe auf seiner Innenseite genau zu entsprechen, und zwar im Hinblick auf einen Maximalwert für C.. Dieses Rohr bestand aus 90-10 Kupfer-Nickel und hatte die folgenden Abmessungen: Aussendurchmesser (glattes Ende) = 1,250"; Aussendurchmesser (gewelltes Ende) = 1,249"; Wandstärke = 0,050"; d_± « 1,149"; e = O,046"; ρ = 0,505"; t « 0,120"; y " 0,010"; 0 = 0,365 x 10~²; X « 0,48 χ 1O~⁴"²; C₁ » 0,0693; ^/(C^p = 2,62.

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Claims

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Patentansprüche :

Metallisches Wärmetauscherrohr mit einer eingängigen inneren, spiralförmigen Rippe, dadurch gekennzeichnet , dass die Form der Innenwand durch folgende Gleichung beschrieben werden kann:

-ir·

wobei 0 ein dimensionsloser Parameter ist, wobei e die Höhe der spiralförmigen Rippe ist, wobei ρ die Steigung der spiralförmigen Rippe ist und wobei d. der Innendurch-

-2 messer ist, und dass 0 grosser als 0,1 χ IO und nicht

_2
grosser als etwa 0,365 χ 10 ist.
2. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 0 ungefähr gleich 0,365 χ 10 ist.
3. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die spiralförmige Rippe einen konvex gewölbten Rippenkamm aufweist, dessen Breite (t) in axialer Richtung nicht kleiner als 0,085" ist.
4. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) es wird ein glattes Metallrohr aus einem geeigneten Material und mit einem geeigneten Durchmesser sowie mit geeigneter Wandstärke ausgewählt;

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23.Februar 1973

b) mindestens ein Teil des Metallrohres wird unter einem sol iien Spiralwinkel und bis zu einer solchen Tiefe gewellt« dass die Steigung (p) der spiralförmigen Rippe, der Innendurchmesser (d.) und die Höhe (e) der dabei auf der Innenseite des Metallrohres erzeugten Rippe solche werte aufweisen, dass

P · ö,

-2 zwischen etwa O und etwa 0,365 χ 10 liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Metallrohres unter einem solchen Spiralwinkel und bis zu einer solchen Tiefe gewellt wird, dass der Aussendurchmesser des gewellten Teils ungefähr gleich dem ursprünglichen Aussendurchmesser des Rohres ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des gewellten Teils des Rohres zur Erzielung einer maximalen Wärmeübertragung in der Weise erfolgt, dass

-2 ungefähr gleich 0,365 χ 10 wird.

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