CH630720A5

CH630720A5 - Verfahren zum herstellen eines waermetauscherrohres.

Info

Publication number: CH630720A5
Application number: CH756178A
Authority: CH
Inventors: Warren S Brothers; Albert J Kallfelz
Original assignee: Carrier Corp
Priority date: 1977-07-13
Filing date: 1978-07-12
Publication date: 1982-06-30
Also published as: DE2829070A1; BR7804497A; JPS5420450A; AR216162A1; JPS6158757B2; AU516021B2; GB2001160A; GB2085570B; IN147952B; MX146551A; AU3785478A; CA1150723A; US4159739A; DE2829070C2; FR2397615B1; IT7825557A0; IT1097006B; GB2085570A; GB2001160B; FR2397615A1

Description

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PATENTANSPRÜCHE Scheiben (42) koaxial zu und in alternierender Folge mit den

1. Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauscherrohres Tiefrinnenscheiben (40) angeordnet sind, und einem Auswärts-mit einstückig daran ausgebildeten Rippen (20) mit Kämmen drückwerkzeug (44), das ebenfalls koaxial zu den Tiefrinnen-(24) die in entgegengesetzten Richtungen geneigt sind, um zwi- Scheiben (40) angeordnet ist, um die zwischen benachbarten sehen je zwei benachbarten Rippen (20) einen über einen Spalt 5 tieferen Rinnen (18) liegenden Kämme (24), welche sich vom (32) offenen Hohlraum (30) zu begrenzen, dadurch gekenn- Grund der untieferen Rinne (16) aus radial nach aussen erstrek-zeichnet, dass ein rohrförmiger Rohling mit mindestens annä- ken, derart auswärts zu drücken, dass sich diese Kämme (24) hernd kreisrundem Querschnitt gerollt wird, um in der äusseren über die tieferen Rinnen (18) neigen, um die über Spalte (32) Oberfläche desselben miteinander abwechselnde untiefere Rin- offenen Hohlräume (30) zu bilden.

nen (16) und tiefere Rinnen (18) zu bilden, wobei das Material io 11. Vorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekenn-

zwischen je zwei der tieferen Rinnen (18) eine Rippe (20) mit zeichnet, dass zwischen dem Auswärtsdrückwerkzeug (44) und zwei Kämmen (24) bildet, und dass die beiden Kämme (24) den Tiefrinnenscheiben (40) und Untiefrinnenscheiben (42)

jeder Rippe (20) in entgegengesetzten Richtungen auswärtsge- koaxial ein Abstandsring (50) angeordnet ist.

drückt werden, so dass sich jeder Kamm (24) über die tiefere 12. Vorrichtung nach Patentanspruch 10, dadurch gekenn-

Rinne (18) auf der betreffenden Seite der Rippe (20) erstreckt 15 zeichnet, dass die Tiefrinnenscheiben (40), die Untiefrinnen-

und zwischen den auswärtsgedrückten Kämmen (24) benach- Scheiben (42) und das Auswärtsdrückwerkzeug (44) alle auf der barter Rippen (20) ein enger Spalt (32) verbleibt, wodurch aus gleichen Werkzeugspindel (46) gehalten sind und dass mehrere der tieferen Rinne (18) der Hohlraum (30) gebildet wird, der Werkzeugspindeln (46) mit Rollwerkzeugsätzen (38) um das

über den Spalt (32) offen ist. Rohr herum verteilt angeordnet sind.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich- 20

net, dass der Rohling in Richtung seiner Achse vorgeschoben

wird, so dass mit dem Rollen schraubenlinienförmige Rinnen (16,18) im Rohling gebildet werden.

3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeich- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstelnet, dass das Rollen und das Auswärtsdrücken durch getrennte 25 len eines Wärmetauscherrohres, auf ein nach dem Verfahren Werkzeuge (40,42,44) auf einer gemeinsamen Werkzeugspin- hergestelltes Wärmetauscherrohr zum Ubertragen von Wärme del (46) in einer Rohrrippmaschine bewirkt werden. an eine siedende Flüssigkeit in einem Wärmetauscher und auf

4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeich- eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

net, dass für das Rollen und Auswärtsdrücken eine Rohrripp- In gewissen bekannten Kälteanlagen wird eine zu kühlende maschine mit mehreren Werkzeugspindeln (46) verwendet 30 Flüssigkeit in einem Verdampfer durch ein Rohr geleitet, dessen wird. äussere Oberfläche mit flüssigem Kältemittel in Berührung

5. Verfahren nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeich- steht. Das Rohr ist beispielsweise in das Kältemittel eingetaucht net, dass mit dem Rollen durch Verwendung von zweigängigen oder wird mit Kältemittel besprüht. Das Kältemittel geht vom Werkzeugen zwei parallele Rippen (20) erzeugt werden. flüssigen in den dampfförmigen Zustand über und nimmt dabei

6. Nach dem Verfahren gemäss Patentanspruch 1 hergestell- 35 Wärme von dem durch das Rohr strömenden, zu kühlenden tes Wärmetauscherrohr zum Übertragen von Wärme an eine Medium auf. Die äussere Form des Rohres hat einen sehr grossiedende Flüssigkeit in einem Wärmetauscher, gekennzeichnet sen Einfluss auf die Siedeeigenschaften und damit auf die Wär-durch eine Wand und Rippen (20) auf der Wand, von welchen meübertragungsleistung des Rohres.

Rippen jede einen mit der Wand verbundenen Wurzelabschnitt Man hat festgestellt, dass die Wärmeübertragung an eine (22) und zwei auf dem Wurzelabschnitt angeordnete Kämme 40 siedende Flüssigkeit durch Schaffung von Stellen, an welchen (24) aufweist, wobei die Kämme (24) jeder Rippe (20) in entge- sich Siedekerne bilden, stark gefördert wird. Nach einer theore-gengesetzten Richtungen jeweils gegen den nächstliegenden tischen Überlegung können solche Stellen für das Sieden an Kamm der benachbarten Rippe geneigt sind, von dieser nächst- Kernen dadurch geschaffen werden, dass Dampfrückhalteliegenden Rippe jedoch noch einen Abstand haben, so dass zwi- Hohlräume in der Wärmetauscheroberfläche vorgesehen sehen jeweils zwei benachbarten Rippen (20) ein Hohlraum 45 werden.

(30) liegt, der von je einem der Kämme (24) jeder der beiden Beim Sieden an Kernen wird der zurückgehaltene Dampf Rippen teilweise abgeschlossen ist, um das Zurückhalten von durch die Wärmetauscheroberfläche überhitzt, wodurch die Dampf im Hohlraum zur Förderung des Siedens an Kernen zu Dampfblase grösser wird, bis die Oberflächenspannung überunterstützen. _ wunden wird und die Dampfblase sich von der Oberfläche löst.

7. Wärmetauscherrohr nach Patentanspruch 6, dadurch ge- so Wenn die Dampfblase die Oberfläche verlässt, wird der dadurch kennzeichnet, dass sich der Wurzelabschnitt (22) jeder Rippe freigegebene Bereich von der Flüssigkeit benetzt, und der ver-(20) von der Wand radial nach aussen erstreckt und dass die bleibende Dampf erhält mit der so zuströmenden Flüssigkeit Kämme (24) jeder Rippe in einem Winkel zueinander vom eine Quelle für weiteren Dampf zur Bildung der nächsten Blase. Wurzelabschnitt (22) ausgehen. Die kontinuierliche Benetzung und Blasenablösung bewirken

8. Wärmetauscherrohr nach Patentanspruch 7, dadurch ge- 55 zusammen mit der Konvektionswirkung der durch die Flüssigkennzeichnet, dass die Rippen (20) schraubenlinienförmig um keit steigenden und diese durchmischenden überhitzten Blase das Rohr verlaufen. einen gesteigerten Wärmeübergang an der Wärmetauscher-

9. Wärmetauscherrohr nach Patentanspruch 8, dadurch ge- Oberfläche.

kennzeichnet, dass mindestens ein Hohlraum (30) zwischen be- Es ist bekannt, dass der Oberflächen-Wärmeübergang dort nachbarten Rippen (20) sich über die Länge des Rohres er- «> hoch ist, wo die Dampfblase entsteht. Folglich nimmt der Gestreckt. samtwärmeübergang mit der Dichte der dampf zurückhaltenden

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Pa- Stellen pro Flächeneinheit der Wärmetauscheroberfläche zu. tentanspruch 1, mit Mitteln zum Montieren des rohrförmigen Vergleiche hierzu beispielsweise die US-PS 3 696 861 oder das Rohlings derart, dass er um seine Achse drehbar ist, gekenn- Werk «Heat Transfer» von M. Jakob, Band 1 (Verlag John zeichnet durch einen Rollwerkzeugsatz (38) mit mehreren Tief- 65 Wiley and Sons).

rinnenscheiben (40) zum Rollen der tieferen Rinnen (18) in den Es sind verschiedene Formen von Wärmetauscheroberflä-Rohling, mehreren Untiefrinnenscheiben (42) zum Rollen der chen bekannt, welche mit Siedekernstellen arbeiten, um die Geuntieferen Rinnen (16) in den Rohling, welche Untiefrinnen- Samtwärmeübertragung zu verbessern. In der US-PS 3 454 081

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wird eine kreuzweise gerillte Siedeoberflächenschicht verwendet, welche unter der Oberfläche liegende Hohlräume mit beschränkten Öffnungen zur äusseren Oberfläche in mikroskopischer Dichte aufweist. In der US-PS 3 326 283 sind Rippen auf einem Rohr verformt, um Einkerbungen zur Unterstützung des Siedens an Kernen zu bilden.

Es sind auch verschiedene Verfahren zum Erzeugen von Oberflächen mit Siedekernen bekannt. In der US-PS 3 487 670 ist ein Verfahren zum Erzeugen der Wärmeübertragungsflächen gemäss der vorstehend genannten US-PS 3 326 283 beschrieben. Die Rippen werden mit einem Kerbwerkzeug gerollt, welches das Rippenmaterial über die Seitenflanken der Rippe nach aussen drückt, um den Dampfrückhaltehohlraum zu bilden. Die US-PS 3 496 752 beschreibt ein Verfahren, in welchem die Wärmeübertragungsfläche geritzt wird, um Rillen mikroskopischer Dichte zu bilden, worauf Hohlräume erzeugt werden, indem Material von zwischen den Rillen in die Rillen gedrückt wird. Gemäss der US-PS 3 696 861 werden Rippen auf einem Wärmetauscherrohr in einer Richtung jeweils gegen benachbarte Rippen durch einen Rollvorgang verformt, um Dampfrückhaltestellen zwischen den Rippen zu bilden.

Es besteht die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, gemäss dem ein kostengünstiges Wärmetauscherrohr hoher Leistung (für Sieden an Kernen) erzeugt wird, das aus einem handelsüblichen Rohr-Rohling in einem einzigen Durchgang durch eine übliche Rohrrippmaschine hergestellt werden kann. Damit das Rohr kostengünstig ist, sollte es möglich sein, die für die Herstellung des Hochleistungsrohres aufgewendeten zusätzlichen Kosten entweder durch geringere Kosten der Konstruktion, in der das eine erhöhte Leistung aufweisende Rohr verwendet wird, oder durch die erhöhte Gesamtleistung des Wärmetauschers wieder hereinzubringen.

Das erfindungsgemässe Verfahren, mit dem die genannte Aufgabe gelöst wird, ist im Patentanspruch 1 definiert.

Das Wärmetauscherrohr kann in einem einzigen Durchgang durch eine konventionelle Rohrrippmaschine erzeugt werden. Hierzu wird eine Anzahl Scheiben auf einer Werkzeugspindel in Berührung mit dem durch die Rohrrippmaschine laufenden Rohr montiert. Diese Scheiben können so angeordnet werden, dass sie zuerst in der äusseren Oberfläche des Rohres miteinander abwechselnde tiefe und untiefe Rinnen erzeugen. Danach kann eine Auswärtsdrückscheibe in die untiefe Rinne eintreten, um die Kämme nach aussen über die tiefen Rinnen zu drücken und so den über einen Spalt offenen Hohlraum zwischen benachbarten Rippen zu bilden.

Anhand der Zeichnung werden nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Teilansicht eines Wärmetauscherrohres mit glatten Oberflächen,

Fig. 2 eine geschnittene Teilansicht desselben Rohres nach dem Rollen von miteinander abwechselnden tiefen und untiefen Rinnen in dasselbe ;

Fig. 3 wieder eine geschnittene Teilansicht des Rohres von Fig. 1 und 2, jedoch nach dem Auswärtsdrücken der Kämme zum Bilden von über Spalte offenen Hohlräumen,

Fig. 4 eine geschnittene Teilansicht des Wärmetauscherrohres mit mit demselben in Eingriff stehenden Werkzeugsatz mit aufeinanderfolgenden Rollscheiben und Auswärtsdrückschei-ben, mit denen die tiefen und untiefen Rinnen und dann die über Spalte offenen Hohlräume gebildet werden, und

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Werkzeugspindel, auf der der Werkzeugsatz angeordnet ist und die zur Achse des in Bearbeitung begriffenen Rohres leicht geneigt ist.

Die nachstehend beschriebene Ausführungsform der Erfindung ist für die Verwendung in einem Wärmetauscher bestimmt, in welchem ein zu kühlendes Medium durch ein Wärmetauscherrohr strömt und gleichzeitig ein zu verdampfendes

Kältemittel mit der äusseren Oberfläche des Rohres in Berührung steht. Solche Anordnungen zur Übertragung von Wärme von einem zu kühlenden Medium zu einem Kältemittel werden in Verdampfern von Kälteanlagen verwendet. Oft sind dabei 5 mehrere parallele Wärmetauscherrohre so angeordnet, dass jeweils einige der Rohre einen Strömungsweg für das Medium bilden, wobei mehrere parallele Strömungswege für das Medium vorhanden sind. In der Regel sind alle Rohre der verschiedenen Strömungswege in einem gemeinsamen Gehäuse einge-io schlössen, in welchem sie in das Kältemittel eingetaucht sind.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer Wand eines zylindrischen Rohres 10 mit glatten Oberflächen vor dem Rollen. Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht derselben Rohrwand, nachdem in diese miteinander abwechselnde tiefe Rinnen 18 und untiefe Rinnen 15I6 gerollt worden sind. Durch das Rollen entstehen Rippen 20, von denen jede jeweils den Teil der Rohrwand zwischen einander benachbarten tiefen Rinnen 18 umfasst, der sich von einer gedachten Linie zwischen den tiefsten Stellen der beiden benachbarten tiefen Rinnen aus radial nach aussen erstreckt. In 20 Fig. 2 ist als Rippe 20 derjenige Teil der Rohrwand bezeichnet, der in einem mit unterbrochenen Linien gezeichneten Rechteck liegt.

Jede Rippe 20 besitzt einen Wurzelabschnitt 22 und zwei Kämme 24. Der Wurzelabschnitt 22 ist derjenige Teil der Rippe 25 20, der zwischen einer gedachten Linie durch die tiefsten Stellen benachbarter tiefer Rinnen 18 und einer gedachten Linie durch die tiefsten Stellen benachbarter untiefer Rinnen 16 liegt. Die Kämme 24 sind auf jedem Wurzelabschnitt 22 auf beiden Seiten der untiefen Rinne 16 angeordnet und erstrecken sich von der 30 gedachten Linie durch die tiefsten Stellen benachbarter untiefer Rinnen 16 aus radial nach aussen.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht der Rohrwand von Fig. 1 und 2 nach dem Auswärtsdrücken der Kämme 24 derart, dass diese zwischen benachbarten Rippen 20 Hohlräume 30 teilweise ein-35 schliessen. Jeder Kamm 24 ist von der Mitte der betreffenden Rippe 20 weg gegen die jeweils benachbarte Rippe gedrückt worden, um die tiefe Rinne 16 teilweise zu überdecken. Die beiden Kämme 24 jeder Rippe 20 sind in entgegengesetzten Richtungen geneigt, und zwischen den einander benachbarten 40 Kämmen benachbarter Rippen ist ein enger Spalt 32 vorhanden. Der Spalt 32 zwischen den Enden benachbarter Kämme 24 ist so bemessen, dass er das Sieden an Kernen im Hohlraum 30 begünstigt. Der Hohlraum 30 ist begrenzt vom Grund der tiefen Rinne 18, den Flanken benachbarter Wurzelabschnitte 22 und 45 den Flanken benachbarter Kämme 24.

Die Rippen 20 werden normalerweise schraubenlinienför-mig auf dem Rohr 10 gerollt. Dadurch entsteht ein einziger Hohlraum 30, der über den Spalt 32 offen ist und sich schrau-benlinienförmig über die ganze Länge des Wärmetauscherroh-50 res erstreckt. Natürlich könnte man durch Verwendung eines zweigängigen Werkzeugsatzes auch zwei über Spalte offene,

sich über die Länge des Wärmetauscherrohres erstreckende Hohlräume erzeugen. Mehrere Hohlräume können durch Verwendung mehrgängiger Werkzeugsätze oder auch durch Unter-55 brechen eines Hohlraumes an geeigneten Stellen erzeugt werden, wodurch auf der Rohroberfläche glatte Felder gebildet werden können, so dass das Rohr in einer Rohrplatte üblicher Art gehalten werden kann.

In Fig. 4 ist die Werkzeuganordnung dargestellt, die in einer 60 Rohrrippmaschine üblicher Art verwendet wird, um das beschriebene Hochleistungsrohr zu rollen. In den bekannten Rohrrippmaschinen sind zylindrische Scheiben auf mehreren Werkzeugspindeln so angeordnet, dass sie, wenn sie gedreht werden, Teile der Rohrwand verformen und Material in dersel-65 ben verschieben, um die gewünschten Rippen zu bilden. Gemäss Fig. 4 werden in die Oberfläche des Rohrs 10 miteinander abwechselnde tiefe Rinnen und untiefe Rinnen durch miteinander abwechselnde Tiefrinnenscheiben 40 und Untiefrinnen-

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Scheiben 42 gerollt, wobei die Tiefe der Rinnen allmählich zunimmt, wenn sich das Rohr längs des Werkzeugsatzes 38 bewegt. Die Anzahl der Rollscheiben, die in einem besonderen Fall zu verwenden ist, um Rinnen gegebener Breite und Tiefe zu erzeugen, und die Anzahl der Werkzeugspindeln bei mehrgängigen Werkzeugsätzen können vom Fachmann entsprechend der Maschinenkonstruktion gewählt werden, ebenso wie der allfällige Abstand zwischen benachbarten Gruppen von Scheiben. In Fig. 4 sind auch vier Auswärtsdrückscheiben 44 für die Verwendung in einem zweigängigen Werkzeugsatz dargestellt. Die Scheiben 44 sind so konstruiert, dass sie in die untiefen Rinnen 16, die in den Rippen 20 auf der Oberfläche des Rohres gebildet werden, passen und die beiden Kämme 24 jeder Rippe in entgegengesetzten Richtungen nach aussen drücken. Es ist ersichtlich, dass die vier Auswärtsdrückscheiben, je eine schmale und eine breite Scheibe für jeden Gang des zweigängigen Werkzeugsatzes, so angeordnet sind, dass beim Rollen die Kämme progressiv verschoben werden. Beim Auswärtsdrücken werden die über Spalte offenen Hohlräume 30 gebildet, indem die Kämme 24 verschoben werden, um die Rinnen 18 bis auf enge Spalte 32 zu überdecken. Aus Fig. 4 ist ferner zu ersehen, dass beim Auswärtsdrücken der Kämme 24 auf dem Grund der untiefen Rinne 16 Neigungsdiskontinuitäten 36 erzeugt werden. Diese Diskontinuitäten stellen einen zusätzlichen Oberflächenbereich mit Unregelmässigkeiten zur Unterstützung des Siedens an Kernen auch ausserhalb der Hohlräume 30 zur Verfügung.

Für einen typischen Wärmetauscher wird beispielsweise ein Kupferrohr mit 19 mm Aussendurchmesser und 1,3 mm Wandstärke verwendet. Nach dem Rollen und Auswärtsdrücken beträgt die am Grund des Hohlraumes 30 gemessene Wandstärke noch etwa 0,7 mm.

Fig. 5 zeigt eine Spindel 46, welche so angeordnet ist, dass ihre Achse zur Achse des Rohres 10 leicht geneigt ist. Auf der s Spindel 46 sind der Werkzeugsatz 38 gemäss Fig. 4 und eine Spindelmutter 48 montiert, die den Werkzeugsatz 38 und geeignete Abstandsringe 50 auf der Spindel fixiert. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, dass die Werkzeugspindel mit der Achse des Rohres 10 einen spitzen Winkel von etwa 3 ° bildet. Dank diesem klei-io nen Winkel wird das Rohr 10 in Richtung seiner Achse vorgeschoben, wenn die Spindel 46 mit dem darauf angeordneten Werkzeugsatz 38 gedreht wird. So wird das Rohr 10 durch die den Werkzeugsatz und die Spindel enthaltende Rohrrippmaschine (nicht dargestellt) bewegt, wenn die Spindel gedreht 15 wird.

In dem Rohr 10 liegt in üblicher Weise ein glatter Dorn (nicht dargestellt), der beim Rollen die innere Oberfläche des Rohres unterstützt. Der Dorn hat eine genügende Länge, um die innere Oberfläche des Rohres unter allen Scheiben abzu-20 stützen, die sich auf der Werkzeugspindel befinden.

Es ist klar, dass während der Fortbewegung des Rohres längs seiner Achse zuerst die miteinander abwechselnden tiefen und untiefen Rinnen mit allmählich zunehmender Tiefe in die Oberfläche des Rohres gerollt werden und dann die Kämme 25 nach aussen gedrückt werden, um die über Spalte offenen Hohlräume zu bilden, wobei die ganze Verformung in einem einzigen Durchgang durch die Rohrrippmaschine erfolgt. Normalerweise werden mehrere um den Umfang des Rohres verteilte Werkzeugspindeln gleichzeitig eingesetzt, um ein weiches, wirkungs-30 volles Rollen zu bewirken.

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2 Blatt Zeichnungen