DE2032641A1

DE2032641A1 - Metallrohr

Info

Publication number: DE2032641A1
Application number: DE19702032641
Authority: DE
Inventors: James A North Haven Wolfe jun Wade Mount Carmel Conn Ford (V St A )
Original assignee: Olin Corp , New Haven, Conn (V St A)
Priority date: 1969-07-01
Filing date: 1970-07-01
Publication date: 1971-01-14
Also published as: GB1258038A; FR2065666B1; US3612175A; JPS5125620B1; CA922248A; FR2065666A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Metallrohr.

Die Herstellung von Trinkwasser aus Salzwasser erfordert außerordentlich große Warmeübertragungsflächen in Form von Kondensationsrohren. Es gibt verschiedene Schätzungen, nach de- nen der Investitionsbetrag, den allein die Wärmeaustauschflächen einer Entsalzungsanlage erfordern, bis zu 50$ der Gesamtinvestitionssumme ausmacht.

• Für die andauernden Bemühungen, die Kosten für die Herstellung von Trinkwasser zu senken, ist es daher außerordentlich wichtig, daß die Kosten für die Wärmeübertragungsfläche herabgesetzt werden. Es ist bereits bekannt, daß mit Wellrohren oder einer Oberflächenvergrößerung ein verbesserter tfärmeüber-

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tragungskoeffizient im fergleich zu einem einfachen, zylindrischen Hohr erzielbar ist.

Es ist ferner bekannt, daß große Mengen Kühlwasser durch die Kondensationsrohre gepumpt werden müssen, und zwar handelt es.sich dabei im Falle von EntsalzungsYorrichtungen um Meerwasser. Die Oberflächenvergrößerung führt iromer zu erhöhten Anforderungen an die Pum-pleistung, da der Druckabfall Δ, Ρ im Innern der Kondensationsrohre durch die Oberflächenvergrößerung erhöht wird. Deswegen ist es außerordentlich wünschenswert, ein verbessertes Kondensationsrohr zu schaffen, bei dem die Wärmeübertragung auf ein Höchstmaß vergrößert, aber die Zunahme des Druckabfalls so klein wie praktisch möglich gehalten ist„

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Metallrohr zu schaffen, welches eine große Steigerung der Wärmeübertragung bei geringfügiger Zunahme des Druckabfalls ermöglicht und mit dem zn vernünftigen Kosten ein überraschend hoher tfärmeUbertragungskoeffizient erzielbar ist»

Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung ein Metallrohr geschaffen, welches hohl und gewellt ist und mehrere Stege und Nuten umfaßt, die sich längs des Rohrumfangs erstrekken, wobei mindestens zwei voneinander unabhängige, durchgehende Nuten vorgesehen sind, die sich in Schraubenlinienform und in gegenseitigem Abstand voneinander längs des Umfangs des Rohrs erstrecken. Das Rohr entspricht dabei folgender Formeis

+ (Ox 0,03) = von 0,5 Ms 2,25

Dabei ist L. W. = die Stegbreite, G.W. = die Nutbreite und 9, = der Voreil.winkel der sich schraubenlinienförmig erstreckenden Nuten. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind drei voneinander unabhängige, kontinuierliche Muten vorgesehen, die sich in Schraubenlinienfora und in gegenseitigem

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Abstand voneinander längs des Umfange des Rohrs erstrecken.

Nach der Erfindung hat sich gezeigt, daß mit dem oben beschriebenen gewellten Metallrohr ein überraschend hoher tfärmeübertragungskoeffizient erzielbar ist. Dieser überraschende Wärmeübertragungskoeffizient konnte nicht einmal angesichts des verbesserten Wärmeübertragungskoeffizienten erwartet werden, der mit Wellrohren im allgemeinen zu erzielen ist.

Dieser verbesserte Wärmeübertragungskoeffizient hat auch den Vorteil, daß bei den damit zusammenhängenden Einrichtungen und Anlagen Einsparungen möglich sind und daß für die Wärmeaustauschvorrichtungen Kosten gespart werden können. Dies ist besonders wichtig, wenn es sich um Fälle handelt, die große finanzielle Investitionen erfordern.

Das Metallrohr nach der Erfindung kann gemäß einem beliebigen, bekannten Verfahren gewellt sein. Bei einem besonders bevorzugten Verfahren ist das Wellrohr mittels einer Vorrichtung hergestellt, die einen an einem Außenrahmen bewegbar angebrachten Innenrahmen umfaßt, wobei eine Form oder Matrize am Innenrahmen drehbar gelagert ist. Diese hat eine ringförmige Öffnung, durch die das zu wellende Rohr geführt wird, und entsprechend profilierte Form- oder Matrizenglieder, die in die ringförmige Öffnung hineinragen. Die Steigung und die Gangtiefe der Schraubenlinien oder Wellungen sind über einen breiten Gestaltungsbereich hinweg einstell- und steuerbar. Das entstehende gewellte Rohr zeichnet sich durch mehrere Stege und Nuten aus, die sich schraubenlinienförmig längs des Umfangs des Rohrs erstrecken. Im Querschnitt gesehen hat das Rohr mehrere gleichmäßige, symmetrische, wellenförmige Vertiefungen, wobei die Wandstärke des Rohrs durchgehend etwa gleichmäßig ist. Die Nuten bestehen aus mehreren, voneinander unabhängigen, kontinuierlichen Nuten, welche sich schraubenlinienförmig in gegenseitigem Abstand längs des Umfangs des Rohrs erstrecken.

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Zum Herstellen eines Rohrs nach der Erfindung sind viele verschiedene Metalle und deren Legierungen geeignet, z.B. Kupfer, und Kupferlegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen, Titan und Titanlegierungen, Eisen und Eisenlegierungen usw. Es sind auch ohne weiteres Wellrohre verwendbar, die aus Rohren mit Schweißnähten hergestellt sind.

Das Wellrohr nach der Erfindung hat vorzugsweise eine Wandstärke von 0,254 mm bis 12,7 mm und einen Außendurchmesser von 0,635 bis 266,7 mm.

Wenn ein Rohr gewellt ist» ist normalerweise ein Abschnitt desselben ungewellt gelassen, um eine glatte, nicht verformte Rohrwand an jedem Ende des gewellten Rohrs zur Verfugung zu haben, an der eine abdichtende Verbindung mit einer Rohrplatte oder Rohrwand hergestellt werden kann® Üblicherweise sind mehrere Rohre an Rohrplatten befestigt, die das Wärmeübertragungsmedium an der Außenseite gegenüber dem Wärmeübertragungsmittel im Innern der Rohre trennen» Die Bohre sind normalerweise an der Stelle zwischen den"Wärmeaustauschrohren und der Rohrplatte durch Einwalzen der Bohre oder durch Schweißen oder Hartlöten abgedichtet.

Wie oben bereite erwähnt, wurde erfindung@g©iiäß festgestellt, daß ein verbesserter Geeamtwariieuiertraguiigskoeffizient U₀ erzielt wird» wenn das Rohr der folgenden Formel entspricht:

^ifwT^ ⁺ (^Q ^x °*⁰³) ^{s von} °»^{5 Ms} ²»²⁵®

wobei aich L.W. auf die Breite der Stegfläche in Zentimeter bezieht, wobei der Steg im rechten tfinkel statt länge der Hohlachse gemessen ist· G^» bezieht sich auf die Breite der Hutfläche, die in der gleichen Welse gemessen Ist«, 0 1st der ?oreilwinkel, der sich schraubenlinienförmig ei?©

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von einem rechten Winkel zur.Rohrach.se aus gemessen. Im allgemeinen läßt sich sagen, daß der Wärmeübertragungskoeffizient umso "besser ist, je niedriger der Wert von (¹) ist. Es läßt sich die Hypothese aufstellen, daß die niedrigeren Werte von () durch größere Nutbreiten im Verhältnis zu kleineren

Stegbreiten verursacht werden, bei denen die Flüssigkeitsfilmverdünnung an den Scheiteln der Stege vergrößert und die Filmverdickung an den Böden der Nuten verringert wird. Dies ist besonders offenkundig in Bezug auf den Wärmeübertragungskoeffizienten an der Dampfseite.

Der Wert für () + (^{θ x} 0,03) wird hier aus Gründen der Zweckmäßigkeit als Maßzahl P für die Wärmeübertragungsieistung bezeichnet.

Darüberhinaus kann der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient für Wellrohre unter Verwendung der obigen geometrischen Beiwerte durch folgende Formel ausgedrückt werden:

U₀ = 1245 + 48,3P - 62,2P² + 8.34P³

wobei P die oben erwähnte Maßzahl für die Wärmeübertragungsleistung und U der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient ist. In Übereinstimmung mit dieser Gleichung kann der Wa?t von P zum Erreichen der erfindungsgemäßen Ziele von 0,5 bis 2,25 schwanken.

Zusätzlich zu dem oben Gesagten muß der Druckabfall /\ P auf einem vernünftigen Wert, vorzugsweise zwischen 0,1829 und 1,3716 bei 6,5838 km/h Wasser gehalten werden.(Druckeinheit wohl in m Wassersäule zu verstehen).

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen näher erläutert. '

♦ Beispiel I

Bei diesem Beispiel wurde eine Legierung auf Kupferbasis mit folgender Zusammensetzung verwendet: 2,3$ Eisen, 0,025% Phosphor

• * ■ .

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und der Rest im wesentlichen'Kupfer© Aus dieser legierung wurden verschiedene Stücke Schweißnahtrohr in einer Länge von 106,68 cm hergestellt» Die Bohre Matten einen Außendurchmesser von 25,4 mm und eine Wandstärke won H₉ 245 afflo Ein Seil der Rohre wurde- zu gewellten Rohren mit mehreren Stegen und Hüten längs des Umfangs derselben verformt, woTbei iaindestens zwei voneinander unabhängige, sich schraubenlinienförmig erstreckende, kontinuierliche Nuten vorgesehen wurden_o Die Eigenschaften dieser gewellten Rohre gehen aus der folgenden Talbelle I hervor» Das ■ " Wellrohr nach der Erfindung zeigte isa allgemeinen keine Gewichtsveränderung pro Längeneinheit ₉ cLlx« das Wellrohr"hatte' in keinem Teil einen gröBeren Oberflächenbereich» Der verfemte Abschnitt des Hohrs war etwa 83^82 cm lang, während das gewellte Rohr an jedem Ende einen glatten Abschnitt von etwa 10,16 bis 12,70 cm aufwies«,

In der folgenden Tabelle ist das Mohr A ein glattes» ungewelltes Rohr, die lohre B-I sind Hohre nach der Erfindung und die Rohre J-X sind ¥ergleichsrohr®_o

Tabelle I

Rohr	Zahl der Stei- Schrauben- gungs- gänge winkel	0,406	Nut tiefe ■ mm	Steg breite	Nut breite mm	Bohrung- durchmesser cm	Gewicht pro Meter	Voreil- winkel Grad	203264
A	_	0,411	%_mm	—		2,29	0,876	_
B	3	0,408	2,74	4,26	5,27	1,64	0,856	22
C	3	0,440	2,54	4,70	5,08	1,78	0,902	23
D	3	0,292	1.52	5,48	4,26	1,94	0,880	23
E	2	0,292	2,13	5,20	5,79	1,81	0,330	15
F	3	0,281	1,78	1,73	6,21	1,81	0,860	20
α	3	0,625	1,27	2,54	5,29	1,96	0,880	18
ft	4	0,281	4,24	3,55	3,51	1,28	1,153	23 '
	2	0,406	3,22	7,87	5,78	1,57	. 0,876	22,5
J	4	0,438	4,62	4,70	2,08	1»03	1,138	26
	3	0,588	5,66	6,35	3,00	0,96	1,051	23
	4	0,583	4,66	4,82	2,66	1»°4	1,046	34
M	3	0,445	2,79	8,08	4,94	1,70	0,885	31,5
I	3	0,885	1,91	8,39	4,62	1,89	0,880	31
■0	6	0,625	1,63	5,08	3,48	1,81	0,872	43
	Z	0,875	2,30	14,1	5,64	1,81	0,885	29
Q	4	4,42	8,50	3,32	1,28	0,920	50
1	3	3,46	11,9	5,00	• 1,58	0,885	40 £ «

Portsetzung Tabelle I

S 2 1,688 2,46 21,6 4,95 1,76 0,881 48

I ♦ 0,813 4,15 8,89 3,56 1,41 0,872 53

^ü 2 1,302 2,54 19,8 5,48 1,76 0,885 40,5

ca ^v 3 1,153 3,08 13,4 4,95 1,68 0,876 49

S ^{¥ 5 Q}»⁸^5 5,52 9,65 3,49 " 1,08 0,927 48

^x 3 1₈153 1_f98 14,7 4,32 1,91 0,880 49

es·

• ... ι

Die Werte dieser Tabelle wurden aus der folgenden amerikanischen Tabelle umgerechnet:

Q >

S φ

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K3 CD

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CO CM

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O	cn	cn		m		00	to	O	O	cn	cn
(O	in	in	m	t«·	in	t··			in	in

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rt		m	CM	O
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m	00	00	CM	00	QO	in	in	CM
	O	CO		O	*r-i*	O	cn	00
CM	N			Vi	Vi		Vi

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Vi

CM

O

co

Vi

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CO

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CM CM

CO

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f£ (U υ μ +J •Η IU

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rt

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Vi	in	rt	(O	00	QO	co
00	CM	00	O	co	OO	OC
CM	(O	CM	Tp	τρ	in	m

Vi

(U U)

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ε ο η

CO

Ϊ0

CO

Tf

CO

co

(U

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CJ Q W [X₄ EC M

TABLE I - (Continued)

Width, inches

Tube Number Pitch Groove Depth Land Groove Bore Diameter, Weight Angle

of degrees inches - inches Per of

«____ Leads _| __«____^_»«_»_ Foot, Ib Advance, degrees

0 6 .445 .066 .200 .137 .711 .585 43

P 2 .885 .091 .555 .222 .711 .595 29

Q m 4 .625 · „174 .335 .131 .504 .613 50 m

E 2 " ³ *⁸⁷⁵ .136 _B470 _a107 .623 .595 40

S^ 2 1.688 ,097 .855 .195 _e697 · ' .592 48 ^

T m 4 ο813 .164 ' _s350 .140 .553 .585 53 I

Ü 2 ■ 1.302 .100 .780 .215 .696 .595 40.5

F 3 _ 1.153 .122 .528 .195 .660 .589 . 49

M 3 ,875, ' .218 , _a380 .137 ' .428 *619 48

1.153 .078 „580 .170 .750 .591. 49 ro

Beispiel II

Das glatte Rohr und das gewellte Rohr wurden beide in der gleichen Weise geprüft. Es wurde ein ein einziges Rohr umfassender, horizontaler Kalorimeter unter filmartiger Kondensation von Dampf verwendet, welcher eine Temperatur von etwa 115»56⁰C hatte, wobei Leitungswasser als Kühlwasser im Innern des Rohrs diente. Die Eingangstemperatur des Leitungswassers betrug etwa 4,44⁰C. Die Wärmeübertragungs- und Druckabfalleigenschaften der Rohre wurden über einen Bereich von Wassergeschwindigkeiten hinweg bestimmt. Die in der Tabelle II unten angegebenen Werte gelten für eine Geschwindigkeit von 6,5838 km/h. Durch Messen des Kühlwasserstroms nach der Mengengeschwindigkeit und Messen der Eingangs- und Ausgangstemperatur des Kühlwassers zur Bestimmung des Wärmeflusses wurde der Wärmeübertragungskoeffizient bestimmt. Dieser wurde unter Verwendung der Gleichung Q = U₀A^T in Beziehung gesetzt zum Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten U_Q, wobei

Q= Wärmefluß in kcal/h

A = Wärmeübertragungsbereich der Außenfläche des Rohrs Δ, ^ ⁼ *°S mittlerer Temperaturunterschied für Kondensationsdampf-Kühlwasser-Anlage.

Die Ergebnisse sind in Tabelle II unten aufgeführt. Die Wärmeübertragungskoeffizienten sind in folgender Einheit angegeben! kcal/m h ⁰C (BTü/hour square foot ⁰P).

Der Druckabfall wurde direkt in Meter Wassersäule unter Verwendung zweckmäßiger Anzeigegeräte am Kalorimetereinlaß und -auslaß gemessen. Auch diese Ergebnisse gehen aus Tabelle II hervor,

Darüberhinaus zeigt die Tabelle II den Wert für (§$7) + (β. χ 0,03), ausgedrückt als Maßzahl J für die Wärmeübertragungsleistung.

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	Gesamtwärme- übertragungs- koeffizient, U_Q	Tabelle II	Maßzahl für Wär meübertragungs- leistung, P
ohr	: 760	Druckabfall £ P bei 6,5838 km/h Wasser; m	Qo
A	1235	0,183	1,48
B	1210	1,095	1,60
C	1170	1,160	1,98
D	1230	0,640	1,35
E	1200	1,340	0,88
P	1215	0,731	1,02
G	1100	0,640	1,705
H	1220	1,036	2,045
I	1090	1,341	3,04
J	1215	1,663	2,81
K	1035	2,042	2_S84
L	1055	1,148	2,58
M	1025	0,822	2,75
N	985	0,562	2,75
O	975	0,487	' 3,38
P	950	0,822	4,06
Q	915	0,548	3,58
R	800	0,548	5,82
S	890	0,305	4,09
T	875	0,396	4,85
U	875	0,518	4 p 17
V	eyo	0,396	4,-21
W	865	0, 670	4*88
y	0,305

Die Worte dieser 'IaOeIIe wurden aus der folgenden amerilcanischein Tabe.] Ic- ur.gerechnet?

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	Overall Heat Transfer Coefficient, U_e	_ΛΑ TABLE 11	2032641 Heat Transfer Efficiency No.
Tube	760	Pressure Drop, ^P, at 6 fps ft HoO	oo
A	1235	0.6	1.48
B	^: 1210	3.6	1.60
C	1170	3.8	1.98
D	1230	2.1	1.35
E	1200	4.4	.88
F	1215	2.4	1.02
G	1100	2.1	1.705
H	' 1220	3.4	2.045
I	1090	4.4	3.04
J	1215	5.5	^: "2.81 ^:
K	1035	6.7	2.84 .
L	1055	3.8 "	2.58
M	1 025	2.7	2.75
N	985	1.85 ;	2.75
O	975	1.60	3,38
P '	950	2.70.	4.06 :
Q	.915	1.80	3 „58
R	800	1,80	5.S2 β
S	890	1.00	4₀09
T	875	1.30 :	4. 85
■ o	875	' ' 1.70	4.17 ■'
V.	890	1₀30	4.21
W	865 ■	2.20.	4. 88
■χ^;	1.00

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/ISIS

BAD 0R1G1I4ÄL

Die Daten der Wärmeleitfähigkeit sind auch graphisch in der beigefügten Zeichnung dargestellt»

Aus den obigen Daten ergibt sich deutlich,, daß mit
dem Rohr nach der Erfindung ein überraschend hoher Wärmeübertragungskoeffizient erzielt wird₉ während der damit einhergehende, gesteigerte Druckabfall auf einem vernünftigen Niveau' gehalten werden kann»

Claims

Patentansprüche

1.) Metallrohr, dadurch gekennzeichnet , faß es hohl und gewellt ist und mehrere Stege und Nuten umfaßt, die sich längs des Uiafangs desselben erstrecken, wobei mindestens zwei voneinander unabhängige, kontinuierliche Nuten vorgesehen sind, die sich schraubenlinienförmig und in gegenseitigem Abstand längs des Umfangs des Rohrs erstrecken, wobei das Rohr folgender Pormel entspricht:

(π⁵") + (θ χ 0,03) = von 0,5 bis 2,25

wobei L.V/. = Stegbreite, .G.tf. = IJutbreite und θ = Voreilwinkel der sich schraubenlinienförmig erstreckenden Hüten.

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic fane t , daß es aus einer Legierung auf Kupferbasis hergestellt ist.

3. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Wandstärke von 0,254 bis 12,7 mm hat.

4. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen AußendurchDiesser von 0,635 bis 266,7 ca hat.

5« Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabfall von 0,1829 bis 1,3716 bei 6,5838 km/h V/asser beträgt.

6. Wärmeübertragmigsafiortmung mit einem Metallrohr nach

einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingangsende und am Aasgangsende des gewellten Rohrs jeweils eine Rohrplatte ;■ ier Rohrwand befestigt ist, daß

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ein erstes Fluid durch das gewellte Rohr fließt und daß ein zweites Fluid in Berührung mit den Außenwänden des gewellten Rohrs und in einem Wärmeaustauschverhältnis mit dem ersten Fluid fließt.

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