DE2048235A1 - Wärmetauscherrohr - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. W. STUHLMANN - DIPL.-ING. R. WILLERT DR.-ING. P. H. OIDTMANN

AKTENNR 2II/2328I 463 BOCHUM. 29.9.

AKTEN-NR. / S Postschließfach 24BO

Fernruf 14061 und 14O 62 Ihr Zeichen . Bergstraße 159

Telegr.: Stuhlmannpatent

R. & G. Schmöle_y Metallwerke, Menden/Sauerland Wärmetauscherrohr

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherrohr für Wasser oder Medien mit dem Wasser ähnlichen Wärmeübergangseigenschaften, insbesondere für Durchlauferhitzer zur Erwärmung von Brauchwasser mittels Heizwasser, welches aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit bis zu etwa 100 kcal/m h C

vorzugsweise besteht und das außenseitig mit/durch walzen hergestellten schraubenlinienförmigen Rippen versehen ist, wobei die Rippenhöhe höchstens 4,5 mm und die Rippendicke höchstens 0,5 mm beträgt, während die Rippenteilung im Bereich von etwa 2 mm liegt.

Es ist allgemein bekannt, daß mit Rippen versehene Wärmetauscherrohre im allgemeinen wesentlich günstiger für die Wärmeübertragung von einem Medium auf das andere sind als einfache, unberippte Rohre, Mit Hilfe berippter Wärmetauscherrohre lassen sich vor allem vorhandene unterschiedliche Wärmeübergangsbedingungen für die im Wärmeaustausch stehenden Medien zumindest aneinander annähern, wenn nicht sogar ausgleichen. Zum Beispiel strömt bei einem Durchlauferhitzer zur Erwärmung von Brauchwasser mittels Heizwasser, auf den sich die vorliegende Erfindung zwar nicht ausschließlich, Jedoch in erster Linie bezieht, das Brauchwasser im allgemeinen mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 bis 2,5 m/s durch das System aus Wärmetauscherrohren, während das die Rohraußenseite umspülende Heizwasser in freier Konvektion, also mit wesentlich niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit von z.B. 0,1 m/s vorbeiströmt. Diese sehr unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten von Brauchwasser und Heizwasser ergeben naturgemäß entsprechend unterschiedliche Wärmeübergangsbedingungen. Auf der Seite des schlechteren Wärmeübergangs - beim vorerwähnten Beispiel die Außenseite des Wärmetauscherrohres, an der das Heizwasser mit niedriger

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Geschwindigkeit vorbeiströmt - wird eine Berippung vorgesehen, um dort die wärmeübertragende Außenfläche des Wärmetauscherrohres zu vergrößern und über diese vergrößerte Fläche den aufgrund der geringeren Strömungsgeschwindigkeit des Mediums schlechteren Wärmeübergang auszugleichen. Sinngemäß das gleiche gilt auch, wenn Heizwasser mit einer bestimmten, relativ hohen Geschwindigkeit im Rohrinnern geführt wird, während das Brauchwasser sich an der Rohraußenseite erwärmt und nur eine geringere Strömungsgeschwindigkeit besitzt. Entsprechende Verhältnisse bestehen auch bei anderen Geräten, z.B. bei Boilern, wenn die Strömungsgeschwindigkeiten der im Wärmeaustausch stehenden Medien sehr unterschiedlich sind. Ferner läßt sich auf diese Weise eine Verbesserung der Wärmeübertragung auch erzielen, wenn die Wärme übergangsbedingungen wegen der Verschiedenartigkeit der im Wärmeaustausch stehenden Medien unterschiedlich sind.

Wärmetauscherrippen werden in der verschiedensten Weise auf die Kernrohre aufgebracht. So ist es auch bereits bekannt, Wärmetauscherrohre durch Walzen mit schraubenlinienförmigen Rippen zu versehen. Solche Wärmetauscherrohre zeichnen sich dadurch aus, daß sie eine einwandfreie wärmeleitende Verbindung zwischen dem Kernrohr und den Rippen besitzen, daß sie sich einwandfrei biegen lassen und daß sie eine wirtschaftliche Fertigung ermöglichen.

Die zur Verbesserung der Wärmeübertragungsbedingungen mit Hilfe von Wärmetausoherrippen angestrebte Vergrößerung der wärmetauschenden Flächen kann über die Rippenhöhe, die Rippendicke und die Rippenteilung sehr unterschiedlich bemessen werden. Bei den hier zu betrachtenden gewalzten Wärmetauscherrohren aus metallischen Werkstoffen, die gegenüber Kupfer eine geringere Wärmeleitfähigkeit, nämlich bis zu etwa 100 koal/m h ⁰C besitzen, wurden bisher Rippenhöhen von ca. j5,5 bis 4,5 mm, Rippendicken von etwa 0,5 mm bei einer Rippenteilung von 2,1 bis 2,3 mm ge wählt. Bei den in Rede stehenden Werkstoffen für diese bekannten Wärmetauscherrohre handelt es sich vor allem um Kupfer-Nickel

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Legierungen, Chrom-Nickel-Stähle, Kupfer-Aluminium-Legierungen, Zinnbronzen und ähnliche Legierungen, die eine Wärmeleitfähigkeit bis zu etwa 100 kcal/m h ⁰C besitzen. Diese Werkstoffe sind zwar hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit gegenüber Kupfer verhältnismäßig schlecht, werden jedoch trotzdem aus Korrosionsgründen Kupfer vorgezogen.

Die bekannten Wärmetauscherrohre mit den vorerwähnten Abmessungsverhältnissen, welche aus einem Metall oder einer Metallegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit bis zu etwa 100 kcal/m h °C bestehen, besitzen den wesentlichen Nachteil, daß bei ihnen der Werkstoff im Hinblick auf die Wärmeübertra- '% gung bei weitem nicht ausgenutzt ist. Dies bedeutet, daß bei den bekannten Wärmetauscherrohren dieser Art wesentlich mehr Werkstoff für die Herstellung der Rippen verwendet wird, als zur Erzielung gleicher Wärmeübertragungsleistung tatsächlich erforderlich ist. Dieser Nachteil hat zunächst zur Folge, daß die Rohre erheblich schwerer sind als sie eigentlich zu sein brauchten. Außerdem sind die Außenabmessungen der bekannten Wärmetauscherrohre besonders groß, so daß ihr Platzbedarf entsprechend hoch ist. Infolgedessen sind auch die Abmessungen der Geräte, in denen diese Wärmetauscherrohre verwendet werden, größer als dies eigentlich erforderlich wäre. Somit ist auch der Platzbedarf der Geräte, in denen solche Wärmetauscherrohre eingebaut sind, be- * deutend größer, was die Einbaumöglichkeiten solcher Geräte erheblich beeinträchtigt. Ferner wird bei der Herstellung der bekannten Wärmetauscherrohre eine viel zu große Werkstoffmenge verbraucht, die bei weitem nicht ausgenutzt wird und deshalb eingespart werden könnte.

Die bekannten gewalzten Wärmetauscherrohre sind daher schon allein wegen ihres Gewichtes, ihres Platzbedarfes und ihres Materialverbrauchs unwirtschaftlich. Diese Nachteile sind die Folgen davon, daß vor allem die Rippenhöhe, aber auch die Rippendicke bei den bekannten Wärmetauscherrohren zu groß bemessen ist

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und infolgedessen mehr Werkstoff aufgewendet wird, als zur Übertragung der gleichen Wärmemenge notwendig und zur Erzielung der erforderlichen mechanischen Festigkeit unbedingt benötigt wird.

Vor allem durch die zu große Rippenhöhe, aber auch durch die zu große Rippendicke ergeben sich beträchtliche Schwierigkeiten bei der Herstellung der gewalzten Wärmetauscherrohre bekannter Bauart, was zu einer relativ hohen Ausschußquote führt. So kommt es z.B. beim WalzVorgang leicht zu einem Aufreißen der Rohre, weil diese während des Walzvorganges erheblichen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Außerdem wird mit zunehmender Rippenhöhe auch der Werkstoff im Bereich der äußeren Rippenkanten zunehmend stark beansprucht, so daß dort eine erhebliche Kerbwirkung auftritt, die häufig zu Rissen in den äußeren Bereichen der Rippen führt. Man benötigt wegen der großen Rippenhöhe und Rippendicke als Ausgangsma-terial für den Walzvorgang Rohre mit verhältnismäßig dicker Wand, wobei dann der Verformungsgrad des Materials sehr hoch ist. Ein hoher Verformungsgrad bedingt naturgemäß Walzwerke größerer Antriebsleistung und stabilerer Ausführung, was wiederum die Investitionskosten und die Betriebskosten erheblich ansteigen läßt. Ein weiterer Nachteil ergibt sich daraus, daß die Walzgeschwindigkeit beim Herstellen der Rippen wegen des größeren Verformungsgrades aufgrund der hohen und auch dicken Rippen relativ niedrig gehalten werden muß, so daß auch die Fertigungszeit verhältnismäßig lang ist, was sich ebenfalls auf die Herstellungskosten der bekannten Wärmetauscherrohre nachteilig auswirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gewalztes, mit Rippen versehenes Wärmetauscherrohr zu schaffen, dem die vorstehend behandelten Nachteile nicht anhaften, sondern das ein besonders niedriges, auf die übertragene Wärmemenge xxxxxxxxxbezogenes Gewicht besitzt und durch bessere Ausnutzung des Werkstoffes in wirtschaftlicher Weise eine optimale Wärmeübertragung erzielt sowie billiger herzustellen ist als die vorstehend beschriebenen bekannten Rohre. Diese Aufgabe wird er-

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- 5 -'■-.. findungsgemäß gelöst durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die Rippenhöhe beträgt 2,0 bis 3,2 mm

b) die Rippendicke beträgt 0,25 bis 0,35 mm

c) die Rippenteilung beträgt 1,7 bis 2,8 mm.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr ist die Rippenhöhe verglichen mit den Abmessungen der eingangs behandelten bekannten Rippenrohre wesentlich geringer. Von der Erfindung wurde nämlich erkannt, daß die bislang verwendete große Rippenhöhe bei den in Rede stehenden Werkstoffen mit einer Wärmeleitfähigkeit bis zu etwa 100 kcal/m h ⁰G nicht erforderlich ist und daß die in der Zeiteinheit übertragene Wärmemenge auch dann die gleiche bleibt, wenn die Rippenhöhe wesentlich niedriger als bisher gehalten wird. Der Grund hierfür liegt vor allem darin, daß die Wärmeleitfähigkeit der in Rede stehenden Werkstoffe nicht ausreicht, um eine genügend große Wärmemenge z.B. von dem im Innern des Wärmetauscherrohres fließenden Medium bis in die äußeren Bereiche der Rippen des Wärmetauscherrohres zu leiten. Der Wärmeleitwiderstand der in Rede stehenden Werkstoff ist vielmehr so groß, daß die äußeren Randabschnitte der Rippen bei den bekannten Wärmetauscherrohren vom Kernrohr her kaum noch xxxxxxxxxxxxxxx Wärme erhalten, die sie an das sie umgebende Medium abgeben können. Durch die Erfindung ist somit erkannt worden, daß die durch die größere Rippenhöhe bei den bekannten Warmetauscherrohren vorhandene größere Wärmetauseherfläche nutzlos ist. Sinngemäß das gleiche gilt selbstverständlich auch dann, wenn die Wärme in umgekehrter Richtung geleitet, also von außen, über die Rippen des Wärmetauscherrohres und das Kernrohr auf das im Innern des Wärmetauscherrohres strömende Medium übertragen wird.

Eine geringfügige Verbesserung erzielt man zwar dadurch, daß man die Rippendicke vergrößert, was jedoch nur sehr wenig nutzt. Eine Vergrößerung der Rippendicke wirkt sich nämlich

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auf die Verbesserung eines Rechenwertes für den Rippenwirkungsgrad der betreffenden Rippe nur linear aus, wohingegen die Vergrößerung der Rippenhöhe sich quadratisch auswirkt. Die erfindungsgemäßen AbmessungsVerhältnisse von Wärmetauscherrohren mit durch Walzen hergestellten Rippen, die aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit bis zu etwa 100 kcal/m h ⁰C bestehen, bilden ein Optimum, bei dem bei geringstem Materialaufwand eine größtmögliche Wärmemenge von einem Medium auf das andere übertragen wird.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Wärmetauscherrohres hat damit zunächst den Vorteil, daß bei gleicher Leistung eine wesentlich geringere Menge des verhältnismäßig teuren Werkstoffes für die Herstellung gebraucht wird, was sich vorteilhaft auf den Herstellungspreis auswirkt. Außerdem hat der geringere Materialaufwand auch ein geringeres Gewicht des Wärmetauscherrohres zur Folge, so daß die Halterungen, Gehäuse od. dgl. der Geräte, in denen das erfindungsgemäße Wärmetauscherrohr verwendet wird, wesentlich leichter gebaut werden können und auch hierbei Gewicht, Werkstoff und Kosten eingespart werden. Ferner nimmt das erfindungsgemäße Wärmetauscherrohr aufgrund der bedeutend geringeren Rippenhöhe wesentlich weniger Platz in Anspruch, so daß die Geräte, in die dieses Wärmetauscherrohr eingebaut wird, einen geringeren Platzbedarf haben und sich infolgedessen beim Einbau wesentlich leichter unterbringen lassen.

Die geringere Rippenhöhe erleichtert jedoch auch die Fertigung des Wärmetauscherrohres erheblich, weil der Verformungsgrad beim Walzen bei geringerer Rippenhöhe naturgemäß niedriger liegt. Infolgedessen ist ein Reißen des Wärmetauscherrohres während des Walzvorganges nicht zu befürchten. Ebenso werden die äußeren Randabschnitte der durch Walzen hergestellten Rippen bei weitem nicht so hoch beansprucht, daß sie einreißen, wie dies bei den bekannten Wärmetauscherrohren vorkommt. Infolgedessen ist die Ausschußquote bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres wesentlich niedriger und kaum nennens-

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wert. Außerdem kann man bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr mit einer wesentlich geringeren Ausgangswandstärke des noch ungewalzten Rohres auskommen, was verdeutlicht, daß der 'Verformungsgrad beim Walzen und die Menge des verwendeten Werkstoffes wesentlich geringer ist als bei dem bekannten Wärmetauscherrohr. Ferner läßt sich die Walzgeschwindigkeit wesentlich erhöhen, so daß die Herstellungszeit kürzer ist, was sich ebenfalls vorteilhaft auf den Herstellungspreis auswirkt. Schließlich ist es möglich, wegen des niedrigeren Verformungsgrades mit Walzwerken geringerer Leistung auszukommen, was sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten dieser Maschinen erheblich senkt.

Da - wie bereits dargelegt - die Rippendicke keinen nennenswerten Einfluß auf die Menge der übertragenen Wärme hat, ist die Rippendicke bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr ebenfalls geringer als bei den bekannten Warmetauscherrohren dieser Art. Die Rippendicke ist nach oben hin dadurch begrenzt, daß eine Vergrößerung über eine Dicke von etwa 0,35 mm hinaus nur noch eine derart geringe Steigerung der Wärmeübertragung bewirkt, daß sich der dazu erforderliche Materialmehraufwand nicht mehr auszahlt. Nach unten hin ist die Rippendicke durch die Fertigungsmöglichkeiten und durch die Mindestanforderungen an die mechanische Festigkeit der Rippen begrenzt. Es sollten deshalb 0,25 mm nicht unterschritten werden.

Außer durch die Rippenhöhe und die Rippendicke läßt sich die wärmetauschende Fläche pro Meter Wärmetauscherrohr noch durch die Rippenteilung verändern. Von der Erfindung wurde er kannt, daß eine Rippenteilung von weniger als 1,7 mm dazu führt, daß sich an den Rippen laminare, an den Rippen haftende Grenzschichten bilden, die den Wärmeübergang von der Rippe auf das sie umgebende Medium wesentlich verschlechtern. Es empfiehlt sich daher nicht, die Rippenteilung kleiner als 1,7 mm zu wählen. Eine größere Teilung als 2,8 mm ist demgegenüber auch nicht ratsam, weil dann keine Verbesserung der Beaufschlagung der Rippen durch das die Rohre außenseitig beaufschlagende Medium mehr eintritt,

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sondern lediglich Rohrlänge verschenkt wird. Die vorerwähnten Werte gelten nur dann, wenn die Wärmetauscherrohre außen-'und innenseitig mit Wasser oder Medien mit dem Wasser ähnlichen Wärme-Ubergangseigenschaften beaufschlagt sind.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß dann, wenn das Rohr und seine Rippen in an sich bekannter Weise aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 50 bis 90 kcal/m h ⁰C bestehen, die Rippenhöhe etwa 2,4 bis j5,2 mm beträgt. Demgegenüber empfiehlt es sich, dann, wenn das JRohr und seine Rippen in an sich bekannter Weise aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von 10 bis 50 kcal/m h ⁰C besteht, die Rippenhöhe mit nur etwa 2 bis 2,6 mm zu bemessen. Hieraus ergibt sich, daß bei einer höheren Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes auch die Rippenhöhe zweckmäßigerweise größer bemessen wird, wohingegen sie bei geringerer Wärmeleitfähigkeit entsprechend niedriger zu halten ist. Eine Vergrößerung der Rippenhöhe würde bei einem Werkstoff geringerer Wärmeleitfähigkeit keine nennenswerte Verbesserung der pro Zeiteinheit übertragenen Wärmemenge mit sich bringen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Rippenteilung etwa 1,7 bis 2,2 mm. Diese relativ kleine Rippenteilung hat vor allem für Kupfer-Nickel-Legierungen Bedeutung, welche für derartige Wärmetauscherrohre im Hinblick auf die Korrosionsfestigkeit besonders gern verwendet werden. Diese Rippenteilung gilt auch für andere Werkstoffe, deren Wärmeleitfähigkeit im wesentlichen die gleiche ist.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Längenabschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres im Längsschnitt dargestellt. Wie deutlich erkennbar, besitzt das mit 2 bezeichnete Kernrohr Wärmetauscherrippen J>, die einstückig mit dem Kernrohr 2 ausgebildet sind. Die Rippen j5 umgeben das Kernrohr 2 schraubenlinienförmig, was in der Zeichnung nicht zu erkennen ist. Demgegenüber veranschaulicht die Zeichnung jedoch die Rippenhöhe h, die Rippendicke d und die Rippenteilung t.

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Claims (4)

1. PATENTANWÄLTE

   DR.-ING.W. STUHLMANN — DIPL.-ING. R. WILLERT DR.-ING. P. H.OIDTMANN

   AKTEN-NR. 2II/2328I 3 463 BOCHUM. 29.9.I97O

   Postschließfach 24 5O

   Ihr Zeichen Fernruf 6 65 31 und 64314

   Bergstraße 159 R. & G. SchmÖle Telegr.· Stuhlmannpatent

   Metallwerke, Menden

   Patentansprüche;

   rl.,JWärmetauscherrohr für Wasser oder Medien mit dem Wasser ähnlichen Wärmeübergangseigenschaftten, insbesondere für Durchlauferhitzer zur Erwärmung von Brauchwasser mittels Heizwasser, welches aus einem Metall oder einer Metallegierung mit einer Wärmeleitfähigkeit bis zu etwa 100 kcal/mh°C besteht und das außenseitig mit vorzugsweise durch Walzen hergestellten Rippen versehen ist, wobei die Rippenhöhe höchstens 4,5 mm und die Rippendicke höchstens 0,5 mm beträgt, während die Rippenteilung im Bereich von etwa 2 mm liegt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

   a) die Rippenhöhe (h) beträgt 2,0 bis 3,2 mm,

   b) die Rippendicke (d) beträgt 0,25 bis 0,35 mm,

   c) die Rippenteilung (t) beträgt 1,7 bis 2,8 mm.
2. 2. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß das Rohr (1) und seine Rippen (3) in an sich bekannter Weise aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 50 bis 90 kcal/mh°C bestehen und dal die Rippenhöhe (h) etwa 2,4 bis 3,2 mm beträgt.
3. 3· Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) und seine Rippen (3) in an sich bekannter Weise aus einem Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von 10 bia 50 kcal/mh°C besteht und daß die Rippenhöhe (h) nur etwa 2 bis 2,6 mn beträgt.
4. 4. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenteilung (t) etwa 1,7 bis 2,2 mm beträgt.

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