DE10014099A1 - Kühlmittelrohre für Wärmetauscher - Google Patents

Kühlmittelrohre für Wärmetauscher

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Hiroyasu Shimanuki
Hirohiko Watanabe
Yuichi Furukawa
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Qun Liu
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlmittelrohr für einen Wärmetauscher, mit einem im wesentlichen flachen Rohr 10 mit im wesentlichen ebenen oberen und unteren Wänden 12/14; mehreren Verstärkungswänden 16 zwischen den oberen und unteren Wänden 12/14, die sich im wesentlichen parallel entlang der Längsachse A-A des Rohrs erstrecken und voneinander mit einem vorbestimmten Abstand beabstandet sind; und mehreren Verbindungslöchern 18, die entlang jeder Verstärkungswand 16 verteilt sind, wodurch mehrere diskrete Wandabschnitte entlang jeder Verstärkungswand 16 definiert sind, die zwischen benachbarten Verbindungslöchern 18 angeordnet sind und eine stromaufwärtige Kante und eine stromabwärtige Kante 24 besitzen, wobei die Verbindungslöcher 18 und die diskreten Wandabschnitte 20 Längen L¶1¶ und L¶2¶ besitzen, gemessen entlang der Längsachse A-A, wobei die Verbindungslöcher 18 entlang jeder Verstärkungswand 16 durch einen Abstand P beabstandet sind. Jedes Verbindungsloch 18 in jeder Verstärkungswand ist zwischen den stromaufwärtigen und den stromabwärtigen Kanten 22/24 eines seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitts 20 jeder benachbarten Verstärkungswand angeordnet, so daß ein Wandüberlappungsverhältnis Wr, definiert [P - 2L¶2¶]/P > 0 und bevorzugt 0,4 Wr 0,6 resultiert.

Description

Die Erfindung betrifft Kühlmittelrohre für Wärmetauscher.
Bekannte typische Konstruktionen der meisten Wärmetauscher-Kühlmittelrohre sind in Fig. 1-2 dargestellt. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, umfaßt diese Konstruktion ein flaches Metallrohr 10 mit ebenen oberen und unteren Wänden 12/14 mit mehren Verstärkungswänden 16, die zwischen den oberen und unteren Wänden angeschlossen sind. Diese Verstärkungswände 16 erstrecken sich parallel zueinander entlang des Rohrs 10, wodurch mehrere parallel Flußkanäle 17 gebildet werden, die jeweils durch die oberen und unteren Wände 12/14 und zwei Verstärkungswände 16 begrenzt sind. Diese Rohrkonstruktion kann durch Einsatz verschiedener Verfahren hergestellt werden, wie sie bspw. im US-Patent Nr. 5,638,897 von Hirano et al., 5,784,776 von Saito et al., und 5,799,727 von Liu beschrieben sind (auf alle diese wird voll inhaltlich bezug genommen).
Derartige Kühlmittelrohre können im wstl. in zwei Kategorien eingeteilt werden: dis­ kreter Fluß und nicht diskreter Fluß. Kühlmittelrohre für diskreten Fluß haben parallele Flußkanäle 17, die nicht entlang der Länge des Rohrs verbunden sind, wie in Fig. 3a dargestellt, trennen die Verstärkungswände 16 der Rohre für diskreten Fluß jeden Flußkanal 17 von seinem benachbarten Flußkanälen vollständig. Rohre für nicht diskreten Fluß haben andererseits mehrere Durchbrüche oder Öffnungen 18 in den Verstärkungswänden 16, wie in Fig. 3b dargestellt; diese Öffnungen 18 ermöglichen zwischen benachbarten Flußkanälen 17 Flüssigkeitsverbindungen. Rohre für nicht diskreten Fluß sind schwieriger herzustellen, haben aber den Vorteil aufgrund des Querflusses von Kühlmittelflüssigkeit zwischen Flußkanälen durch die Öffnungen 18 einen besseren Wärmeübergang zu bieten.
Obwohl es bekannt ist, derartige Öffnungen 18 vorzusehen, um Flüssigkeits-Quer­ flüsse zu erleichtern, wurde bisher keine Lehre für die Auslegung der Größe und des Abstands dieser Öffnungen gegeben, um das Wärmeübergangspotetial von nicht diskreten Rohren für nicht diskreten Kühlmittelfluß zu optimieren.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu ver­ meiden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein gattungsgemäßes Kühlmittelrohr mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung vermeidet nun die Nachteile des Standes der Technik, indem ein Kühlmittelrohr für nicht diskreten Fluß für Wärmetauscher geschaffen wird, wobei der Querfluß zwischen benachbarten Flußkanälen optimierte Wärmeübergangs- Charaktaristika schafft. Das Kühlmittelrohr umfaßt: ein im wstl. flaches Rohr mit im wstl. ebenen oberen und unteren Wänden; mehrere Verstärkungswände, die zwischen den oberen und unteren Wänden angeschlossen sind, wobei sich die Ver­ stärkungswände längs und im wesentlichen parallel zu Längsachse des Rohrs er­ strecken und voneinander um eine vorher bestimmten Abstand getrennt sind; und mehrere Verbindungslöcher, die entlang jeder Verstärkungswand verteilt sind, wodurch mehrere diskrete Wandabschnitte entlang jeder Verstärkungswand definiert werden, wobei jeder diskreter Wandabschnitt zwischen benachbarten Verbindungslöchern liegt und eine stromaufwärtige Kante und eine stromabwärtige Kante besitzt, wobei die Verbindungslöcher und die diskreten Wandabschnitte entsprechende Längen L1 und L2, gemessen entlang der Längsachse haben und die Verbindungslöcher entlang jeder Verstärkungswand um einen Abstand P getrennt angeordnet sind. Jedes Verbindungsloch in jeder Verstärkungswand ist zwischen den stromabwärtigen und stromaufwärtigen Kanten eines seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitts jeder benachbarten Verstärkungswand angeordnet, so daß ein Wandüberlappungsverhältnis Wr, definiert als [P - 2L1]/P, größer als 0 und bevorzugt 0,4 ≦ Wr ≦ 0,6 ist.
Es ist ein Ziel und ein Vorteil, daß die Erfindung einen optimierten Bereich für die relative Größe und Beabstandung von Verbindungslöchern und diskreten Wandab­ schnitten von Rohren für nicht diskreten Fluß schafft, so daß der Gesamt-Wärme­ transferkoeffizient derartiger Rohre optimiert ist.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Erfindung leicht in die üblichen Herstel­ lungsverfahren bekannter Kühlmittelrohre integriert werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße optimierte Auslegung ebenso mit einstückigen oder zweistückigen Kühlmittelrohr-Konstruktionen verwendet werden kann.
Diese und weitere Vorteile, Merkmale und Ziele der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen, sowie de nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen. Dabei zeigt
Fig. 1 eine Frontansicht eines Wärmetauschers mit Kühlmittelrohren gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 2 eine Schnittansicht eines Kühlmittelrohres entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.
Fig. 3A-B perspektivische Ansichten von Verstärkungswänden für nicht diskreten Fluß gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4A-C (insgesamt als Fig. 4 bezeichnet) Schnittansichten der Erfindung entlang der Linie 4-4 in Fig. 2
Fig. 5-6 perspektivische Ansichten und Draufsichten von ausgewählten Verstär­ kungswänden in einem erfindungsgemäßen Kühlmittelrohr;
Fig. 7A-D (insgesamt als Fig. 7 bezeichnet) Seitenansichten von Verstärkungs­ wandsegmenten mit verschiedenen Wandüberlappungs-Verhältnissen gemäß der Erfindung;
Fig. 8A-D (insgesamt als Fig. 8 bezeichnet) Draufsichten auf Schnitte von Wand­ segmenten der Fig. 7A-D;
Fig. 9-10 Auftragungen des Wandüberlappungsverhältnisses Wr gegen die diskrete Wandlänge L2 und des Wärmetransferkoeffizienten h gegen Wr für ein erfindungs­ gemäßes repräsentatives Kühlmittelrohr.
In Fig. 4-6 der Zeichnung ist ein Kühlmittelrohr für einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung gezeigt. Die Erfindung umfaßt: ein im wstl. flaches (typischerweise Metall-) Rohr 10 mit im wstl. ebenen oberen und unteren Wänden 12/14; mehrere Verstärkungswände 16, die zwischen den oberen und unteren Wänden 12/14 an­ geschlossen sind, wobei sich die Verstärkungswände entlang und im wstl. parallel zur Längsachse A-A des Rohres erstrecken und voneinander mit einem vorherbestimmten Abstand beabstandet sind; sowie mehrere Verbindungslöchern 18, die entlang der Länge jeder Verstärkungswand 16 verteilt sind, wodurch mehrere diskrete Wandabschnitte 20 entlang jeder Verstärkungswand 16 definiert werden, wobei jeder der diskreten Wandabschnitte 20 zwischen benachbarten Verbindungslöcher 18 angeordnet ist und eine stromaufwärtige Kante 22 und eine stromabwärtige Kante 24 besitzt, wobei die Verbindungslöcher 18 und die diskreten Wandabschnitte 20 entsprechende Längen L1 und L2 haben, gemessen entlang der Längsachse A-A, und die Verbindungslöcher 18 entlang jeder Verstärkungswand 16 mit einem Abstand von P getrennt angeordnet sind. Jedes Verbindungsloch 18 in jeder Verstärkungswand ist zwischen den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kanten 22/24 seitlich benachbarter diskreter Wandabschnitte 20 jeder Verstärkungswand angeordnet, so daß das Überlappungsverhältnis Wr, definiert als [P - 2L1]/P, größer als 0 ist.
Wie bereits erläutert, gibt es - obwohl es bekannt ist, Verbindungslöcher 18 in den Verstärkungswänden 16 von Kühlmittelrohren vorzusehen, um einen nicht diskreten Fluß (nämlich Querfluß) zwischen benachbarten Flußkanälen 17 zu schaffen, bisher keine Lehre, die relative Größe und Beabstandung der Löcher 18 hinsichtlich der diskreten Wandabschnitte 20 zu optimieren, um den Wärmetransferkoeffizienten h (gemessen in kW/m2K) des Rohrs zu optimieren. Die Erfindung füllt dieses Vakuum, indem ein Auslegungsschema zur Erzielung einer derartigen Optimierung angegeben wird.
Erfindungsgemäß müssen zwei Kriterien erfüllt werden, um eine derartige Wärme­ übergangsoptimierung zu erzielen:
  • 1. das Wandüberlappungsverhältnis Wr soll größer als 0, bevorzugt größer als 0 und ≦ 0,9 und
  • 2.  jedes Verbindungsloch 18 sollte so angeordnet sein, daß es im wstl. zentriert zwischen der stromaufwärtigen und stromabwärtigen Kanten 22/24 der diskreten Wandabschnitte 20 auf benachbarten Verstärkungswänden 16 liegt - das heißt, daß seitlich benachbarte Verbindungslöcher 18 einander nicht überlappen sollten (in diesem Zusammenhang soll "seitlich benachbart" von "längs benachbart" unterschieden werden; wie in Fig. 5 gezeigt, liegen die Löcher 18 2 und 18 3 in der gleichen Verstärkungswand 16 und sind zu aneinander entlang der Längsrichtung A-A benachbart, während das Loch 18 1 seitlich sowohl zu 182 und 183 benachbart ist, insofern, als Loch 18 1 innerhalb einer Verstärkungswand liegt, die seitlich zu der Wand, in der die Löcher 18 2 und 18 3 liegen, benachbart ist.) Beide vorstehenden Kriterien sollten erfüllt werden, um die Rohrwärme Transfercharakteristika zu optimieren.
Falls die Länge L1 der Verbindungslochöffnung 18 als eine Einheitslänge genommen wird, werden die nachfolgenden Wandüberlappungsverhältnisse Wr für verschiedene Längen L2 des diskreten Wandabschnitts 18 vorgeschlagen, wie in Fig. 7-8 gezeigt und in Fig. 9 aufgetragen:
Wie durch die obige Tabelle und in Fig. 9 gezeigt, bewegt sich das Wandüberlap­ pungsverhältnis Wr asymptotisch von einem Minimalwert von -1 (für diskrete Wand­ länge L2 = 0 - dies bedeutet, daß die Verstärkungswand 16 überhaupt nicht existiert) bis zu einem Maximalwert von +1 (für den Fall einer infiniten diskreten Wandlänge L2 - nämlich im wesentlichen ohne jegliche Verbindungslöcher 18). Zwischen diesen Extremata durchläuft das Verhältnis Wr Null dort, (Wr = 0) wo die Verbindungs­ lochlänge L1 und die diskrete Wandlänge L2 gleich sind (L1 = L2).
Fig. 10 zeigt eine graphische Darstellung einiger dieser Wr-Verhältnisse gegen den Wärmetransfer h, den diese schaffen. Diese Daten wurden unter Verwendung eines ansonsten üblichen Aluminiumkühlrohrs und Flüssigkeit generiert, wobei die Lochab­ stände manipuliert wurden, um die Wr-Verhältnisse zu liefern. Bemerkenswerterweise wurde der beste Wärmeübergang erzielt, wenn das Wr-Verhältnis zwischen 0,4 und 0,6 lag; demzufolge empfehlen die Anmelder, ein Wandüberlappungsverhältnis von Wr=0,5 für den optimalen Wärmeübergang vorzusehen.
Verschiedenartigste Modifikationen der Erfindung können dem Fachmann an den sich die Erfindung wendet, offensichtlich sein. Beispielsweise können, obwohl die Zeichnungen lediglich rechtwinklige Verbindungsöffnungen 18 zeigen offensichtlich die Löcher 18 verschiedene alternative Formen annehmen, eingeschlossen (aber nicht beschränkt) auf kreisförmige, halbkreisförmige, ovale, trapezoide, hexagonale, usf. Während das Kühlmittelrohr bevorzugt aus Aluminium hergestellt ist, können auch andere Materialien (beispielsweise Kupfer, Kunststoff etc.) alternativ eingesetzt werden. Ferner kann es erwünscht sein, obwohl die Zeichnungen alle Verbin­ dungslöcher 18 mit gleicher Größe und Form zeigen, in einigen Anwendungen mehr als eine Lochgröße und/oder Form pro Rohr vorzusehen. Ferner können die Ver­ bindungslöcher 18 so vorgesehen werden, daß sie im wstl. zwischen den oberen und unteren Wänden 12/14 (Fig. 4a) zentriert sind, oder so, daß sie an die obere Wand 12 (Fig. 4b) stoßen oder im wstl. benachbart zu dieser oder der unteren Wand (Fig. 4c) liegen, oder irgendeine Kombination davon. Zusätzlich, obwohl die Erfindung im wstl. als "Kühlmittelrohr für Wärmetauscher" bezeichnet wird, ist dem Fachmann ersichtlich sein, daß die Struktur der Erfindung auch für andere Zwecke eingesetzt werden kann, z. B. für die Kondensation von Dampf oder anderen Gasen. Andere Modifikationen, die hier nicht explizit erwähnt sind, sind ebenfalls möglich und fallen unter den Schutzbereich der Erfindung. Die nachfolgenden Ansprüche definieren, eingeschlossen aller Äquivalente, den Schutzumfang der Erfindung.
Bezugszeichenliste
10
flaches Rohr
12
obere Wand
14
untere Wand
16
Verstärkungswand
17
Flußkanal
18
Verbindungsloch
20
diskreter Wandabschnitt
22
stromaufwärtige Kante des diskreten Wandabschnitts
24
stromabwärtige Kante des diskreten Wandabschnitts
A-A Längsachse des Rohrs
L1
Länge des Verbindungslochs
L2
Länge des diskreten Wandabschnitts
P Abstand zwischen benachbarten Löchern = L1
+ L2
Wr Wandüberlappungsverhältnis = [P - 2L1
]/P

Claims (21)

1. Kühlmittelrohr für Wärmetauscher, mit:
  • a) einem im wesentlichen flachem Rohr (10) mit im wesentlichen flachen oberen (12) und unteren Wänden (14);
  • b) mehreren Verstärkungswänden (16), die zwischen den oberen (12) und unteren (14) Wänden angeschlossen sind, die sich entlang und im wesentlichen parallel zur Längsachse des Rohrs (10) erstrecken und voneinander um einen vorherbestimmten Abstand beabstandet sind;
  • c) mehreren Verbindungslöchern (18), entlang der Länge jeder Verstärkungswand (16), wodurch mehrere diskrete Wandabschnitte (20) entlang jeder Verstärkungswand (16) definiert werden, wobei jeder diskrete Wandabschnitte (20) zwischen benachbarten Verbindungslöchern (18) angeordnet ist und eine stromaufwärtige (22) und eine stromabwärtige (24) Kante besitzt, wobei die Verbindungslöcher (18) und die diskreten Wandabschnitte (20) Längen L1 und L2 entlang der Längsachse besitzt, wobei die Verbindungslöcher (18) voneinander entlang jeder Verstärkungswand (16) mit einem Abstand P beabstandet sind;
  • d) wobei jedes Verbindungsloch (18) in jeder Verbindungswand, (16) zwischen der stromaufwärtigen (22) und stromabwärtigen Kante (24) eines seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitts (20) jeder benachbarten Verstärkungswand (16) angeordnet ist, so daß das Wandüberlappungsverhältnis Wr, definiert als [P - 2L1]/P größer als 0 ist.
2. Kühlmittelrohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch (18) im allgemeinen zentriert zwischen den stromaufwärtigen (22) und stromabwärtigen Kanten (24) der seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitte (20) jeder benachbarten Verbindungswand (16) angeordnet ist.
3. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (10) aus Aluminium hergestellt ist.
4. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0 < Wr ≦ 0,9
5. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0,4 ≦ Wr ≦ 0,6.
6. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wr etwa 0,5 ist.
7. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch (18) im wesentlichen zentriert zwischen den oberen (12) und unteren (14) Wänden angeordnet ist.
8. Kühlmittelrohr gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch (18) allgemein an der oberen Wand (12) endet.
9. Kühlmittelrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch (18) allgemein an der unteren Wand (14) endet.
10. Kühlmittelrohr für Wärmetauscher, mit
  • a) einem im wesentlichen flachem Rohr (10) mit im wesentlichen flachen oberen (12) und unteren (14) Wänden;
  • b) mehreren Verstärkungswänden (16), die zwischen den oberen (12) und unteren Wänden (14) angeschlossen sind, sich entlang und im wesentlichen parallel zur Längsachse des Rohrs (10) erstrecken und voneinander um einen vorherbestimmten Abstand beabstandet sind; und
  • c) mehreren entlang der Länge jeder Verstärkungswand (16) verteilten Verbindungslöcher (18), wodurch mehrere diskrete Wandabschnitte (20) entlang jeder Verstärkungswand (16) definiert werden, wobei jeder Wandabschnitt (20) zwischen benachbarten Verbindungslöchern (18) liegt und eine stromaufwärtige (22) und stromabwärtige (24) Kante besitzt, wobei die Verbindungslöcher (18) und die diskreten Wandabschnitte (20) entsprechende Längen L1 und L2 besitzen, gemessen entlang der Längsachse, und die Verbindungslöcher (18) von einander entlang jeder Verstärkungswand (16) durch einen Abstand P beabstandet sind;
  • d) wobei jedes Verbindungsloch (18) an jeder Verbindungswand (16) im wesentlichen zentriert zwischen der stromaufwärtigen (22) und stromabwärtigen (24) Kante eines seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitts (20) jeder benachbarten Verstärkungswand (16) angeordnet ist, so daß ein Wandüberlappungsverhältnis Wr, definiert als (P - 2L1)/P, erzeugt wird, so daß 0 < Wr ≦ 0,9.
11. Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß 0,4 ≦ Wr ≦ 0,6.
12. Ein Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Wr etwa 0,5 ist.
13. Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsrohr (16) im allgemeinen zentriert zwischen den oberen (12) und unteren (14) Wänden angeordnet ist.
14. Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch (18) generell an der oberen (12) Wand endet.
15. Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch (18) im wesentlichen an der unteren Wand (14) endet.
16. Kühlmittelrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch (18) allgemein an der unteren Wand (14) endet.
17. Kühlmittelrohr für Wärmetauscher, mit:
  • a) einem allgemein flachem Rohr (10) mit allgemein flachen oberen (12) und unteren Wänden (14);
  • b) mehrere Verstärkungswände (16), die zwischen den oberen (12) und unteren Wänden (14) angeschlossen sind, die sich entlang und allgemein parallel zur Längsachse des Rohrs (10) erstrecken und voneinander um einen vorher bestimmten Abstand beabstandet sind; und
  • c) mehreren Verbindungslöchern (18), entlang der Länge jeder Verstärkungswand (16) sind, wodurch mehrere diskrete Wandabschnitte (20) entlang jeder Verstärkungswand (16) definiert werden, wobei jeder der diskreten Wandabschnitte (20) zwischen benachbarten Verbindungslöchern (18) angeordnet ist und eine stromaufwärtige (22) und eine stromabwärtige Kante (24) besitzt, wobei die Verbindungslöcher (18) und diskreten Wandabschnitte entsprechende Längen L1 und L2 entlang der Längsachse, haben und die Verbindungslöcher (18) voneinander entlang jeder Verstärkungswand (20) mit einem Abstand P beabstandet sind;
  • d) wobei jedes Verbindungsloch (18) in jeder Verstärkungswand (16) allgemein mittig zwischen den stromaufwärtigen (22) und den stromabwärtigen Kanten (24) eines seitlich benachbarten diskreten Wandabschnitts (20) jeder Verstärkungswand (16) angeordnet ist, so daß ein Wandüberlappungsverhältnis Wr, definiert als (P - 2L1)/P, von 0,4 ≦ Wr ≦ 0,6 gebildet wird.
18. Kühlmittelrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Wr etwa 0,5 ist.
19. Kühlmittelrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch (18) generell zentriert zwischen den oberen (12) und unteren Wänden (14) angeordnet ist.
20. Kühlmittelrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch (18) allgemein an der oberen Wand (12) endet.
21. Kühlmittelrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsloch allgemein an der unteren Wand (14) endet.
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