DE10063831A1

DE10063831A1 - Gezackte Rippe und damit versehenes Wärmetauscherrohr

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Publication number: DE10063831A1
Application number: DE2000163831
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2002-07-11
Also published as: WO2002050489A1; AU2002227876A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gezackte Rippe (2) aus Blech zur Anbringung an der Umfangsfläche (1b) eines metallenen Rohres (1a), sowie ein mit einer gezackten Rippe versehenes Wärmetauscherrohr (1), wobei die Rippe (2) aus einem im angebrachten Zustand dem Rohr (1a) zugewandten Rippenfuß (3) mit frei von diesem hervorstehenden laschenförmigen Rippensegmenten (4) und zwischen den Rippensegmenten (4) vorgesehenen Lücken (5) gebildet ist, wobei die Breite jedes Rippensegments (4), die durch den Abstand der benachbarten Lücken (5) definiert ist, von dem Rippenfuß (3) zu dem freien Ende des Rippensegments (4) hin zunimmt, und dass die Dicke (d) jedes Rippensegments (4) von dem Rippenfuß (3) zu dem freien Ende des Rippensegments (4) hin abnimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine gezackte Rippe aus Blech zur An bringung an der Umfangsfläche eines metallenen Rohres, wobei die Rippe aus einem im angebrachten Zustand dem Rohr zugewand ten Rippenfuß mit frei von diesem hervorstehenden laschenför migen Rippensegmenten und zwischen den Rippensegmenten vor gesehenen Lücken gebildet ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Wärmetauscherrohr, das mit wenigstens einer gezackten Rippe versehen ist.

Grundsätzlich ist es bekannt, glatte oder gezackte Rippen für Wärmetauscherrohre zu verwenden, die etwa senkrecht von der Umfangsfläche des Rohres abstehen. Gegenüber einem Wärmetau scherrohr mit einer glatten Rippe wird das umströmende Medium durch eine gezackte Rippe stärker verwirbelt. Die Verwirbelung bewirkt einen besseren Wärmeübergang zwischen dem Wärmetau scherrohr und dem das Wärmetauscherrohr umströmenden Medium.

Wegen des verbesserten Wärmeübergangs kann eine gezackte Rippe kürzer ausgeführt werden, um die gleiche Wärmeübertragungs leistung zu erbringen, als eine glatte Rippe ohne Zacken. Bei gleicher Wärmeübertragungsleistung weist ein Wärmetauscherrohr mit einer gezackten Rippe daher ein geringeres Gewicht als ein Wärmetauscherrohr mit einer glatten Rippe auf.

Die bekannte gezackte Rippe wird aus einem Blechband herge stellt. Der übliche Querschnitt des Blechbandes ist rechteckig und weist beispielsweise eine Breite von 19 mm und eine Dicke von 1 mm auf. Das Blechband wird mit Scherschnitten etwa senk recht zu einer der Schmalseiten eingeschnitten. Durch die Einschnitte entstehen die einzelnen Rippensegmente. Die ge scherten Schmalseiten eines jeden Rippensegments sind parallel zueinander ausgrichtet. Der Materialzusammenhalt ist lokal aufgehoben ohne jedoch Material abzutragen. Üblicherweise beträgt die Länge der Scherschnitte etwa 2/3 bis 3/4 der Brei te des Blechbandes. Der nicht eingeschnittene Teil des Blech bandes bildet den Rippenfuß, der stoffschlüssig mit dem Rohr verbunden werden muß, um ein Wärmetauscherrohr zu erhalten.

Zur Verbindung der Rippe mit dem Rohr wird der Anfang des Blechbandes mit dem Rippenfuß an der Umfangsfläche des Rohres angesetzt und punktuell stoffschlüssig mit diesem verbunden. Nachfolgend wird das Rohr relativ zu dem Blechband in Drehung versetzt während das Blechband mittels einer Vorrichtung tan gential an das Rohr geführt wird. Durch die Drehung des Rohres wird das gerade Blechband biegeumgeformt, so dass sich der Rippenfuß an die Umfangsfläche des Rohres anschmiegt. Der Rippenfuß wird mit der Umfangsfläche des Rohres verschweißt. Durch die Umformung des Blechbandes werden die zunächst noch dicht aneinanderliegenden Scherflächen benachbarter Rippenseg mente auseinander gespreizt, so daß zwischen den Rippensegmen ten die keilförmigen Lücken entstehen.

Die bekannte gezackte Rippe und das damit versehene Wärmetau scherrohr bilden einen guten Kompromiss zwischen einerseits der auf der Verwirbelung basierenden guten Wärmeübertragung und andererseits der Erhöhung des Strömungswiderstands, der durch die Verwirbelung des umströmenden Mediums induziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gezackte Rippe so weiterzubilden, dass unter Beibehaltung der Vorteile der bekannten gezackten Rippe die Wärmeübertragung weiter ver bessert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Breite jedes Rippensegments, die durch den Abstand der benach barten Lücken definiert ist, von dem Rippenfuß zu dem freien Ende des Rippensegments hin zunimmt, und dass die Dicke jedes Rippensegments von dem Rippenfuß zu dem freien Ende des Rip pensegments hin abnimmt.

Diese einfache Maßnahme vergrößert bei gleichem Materialauf wand für eine Rippe deren für den Wärmeübergang wirksame Ober fläche. Bei einer konkreten Ausführungsform einer gezackten Rippe, die aus einem Blechband mit rechteckigem Querschnitt 19 mm × 1 mm hergestellt ist, können 280 Rippen je Meter Wärme tauscherrohr vorgesehen werden. Bei einem Außendurchmesser des Rohres von beispielsweise 38 mm ergibt sich für die gezackte Rippe nach dem Stand der Technik eine Wärmeübertragungsfläche von 1,80 m². Auf demselben Rohr ergeben 280 gezackte Rippen gemäß der vorgeschlagenen Konstruktion eine Wärmeübertragungs fläche von 2,04 m². Dies entspricht bei gleichem Materialauf wand für die Rippe einer Vergrößerung der Wärmeübertragungs fläche von etwa 13%.

Für einen Großwärmetauscher, der für seine geforderte Wärme übertragungsleistung bisher 1000 Wärmetauscherrohre mit kon ventionell gezackten Rippen benötigte, werden bei Anwendung der erfindungsgemäßen gezackten Rippe nur noch 870 Wärmetau scherrohre benötigt. Dies bedeutet einen erheblichen Vorteil durch gesunkene Materialkosten und Herstellkosten. Außerdem wird durch das geringere Gewicht und die geringere Baugröße der Transport und die Lagerung von Wärmetaucherrohren bezie hungsweise Wärmetauschern vereinfacht und verbilligt.

Günstigerweise weist das laschenförmige Blech der jedes Rip pensegments etwa die Form eines Trapezes auf. Das Trapez ist für die voneinander abgespreizten Rippensegmente die günstig ste Geometrie, um ein Rippensegment in die benachbarten keil förmigen Lücken hinein auszubreiten. Die Fläche der keilförmi gen Lücke wird durch die Trapezform der Rippensegmente verrin gert. Die keilförmigen Lücke werden dadurch schmäler.

Einfacherweise ist der Längsschnitt der Rippensegmente keil förmig, weil diese einfache Geometrie leicht herstellbar und leicht berechenbar ist.

Zweckmäßig ist die Oberfläche der Rippensegmente glatt, um Strömungsverluste gering zu halten.

Sowohl aus strömungstechnischer Sicht als auch für die Her stellung ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche jedes Rippen segments eine Struktur aufweist, die durch ein Walz- oder ein Ziehverfahren hergestellt ist. Dies, weil sich bei diesen Fertigungsverfahren eine für die Wärmeübertragung günstige Glätte der Oberfläche ergibt und weil die angegebenen Ferti gungsverfahren einfach durchführbar sind.

Ein weiterer Nutzen wird dann gesehen, wenn die an den Rippen fuß heranreichende tiefste Stelle jeder Lücke eine kerbarme abgerundete Form aufweist. Diese Form verhindert, dass Auf treten eines Rißfortschritts von der Lücke in den Rippenfuß während der relativ starken Umformung und Anschmiegung des Rippenfußes an die Umfangsfläche des Rohres.

An einem einfachen Wärmetauscherrohr mit einer erfindungs gemäßen gezackten Rippe ist wenigstens eine Rippe entlang einer ringförmigen Linie stoffschlüssig mit der Umfangsfläche des Rohres verbunden. Mehrere ringförmige Rippen lassen sich so leicht vorproduzieren und in einem nachgeschalteten Schritt durch ein Löt- oder Schweißverfahren stoffschlüssig mit dem Rohr verbinden.

Eine alternative Konstruktion eines Wärmetauscherrohrs sieht vor, dass wenigstens eine Rippe wendelförmig beziehungsweise entlang einer Schraubenlinie stoffschlüssig mit der Umfangs fläche des Rohres verbunden ist. Aus Gründen der Wärmeüber tragung sowie aus fertigungstechnischer Sicht kann es vorteil haft sein, mehrere Rippen nach Art der Gewindegänge eines mehrgängigen Gewindes auf der Umfangsfläche des Rohres an zuordnen, wobei dann jede Rippe mit einem größeren Steigungswinkel um die Umfangsfläche des Rohres geschlungen werden muß als bei einem eingängig mit einer Rippe umschlungenen Rohr.

Nachfolgend ist die Erfindung in einer Zeichnung beispielhaft dargestellt und anhand einzelner Figuren detailliert beschrie ben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Wärmetauscherrohres mit einer gezackten Rippe nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine ausschnittsweise Darstellung dreier Rippensegmen te der gezackten Rippe gemäß Fig. 1,

Fig. 3 die Seitenansicht einer Schmalseite der gezackten Rippe gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Wärmetauscherrohres mit einer erfindungsgemäßen gezackten Rippe,

Fig. 5 eine ausschnittsweise Darstellung dreier Rippensegmen te der gezackten Rippe gemäß Fig. 4,

Fig. 6 die Seitenansicht der Schmalseite eines Rippensegments gemäß Fig. 5.

Zum einfacheren Verständnis ist in den Fig. 1 bis 3 der Stand der Technik dargestellt. Gleiche technische Merkmale sind sowohl in den Figuren zum Stand der Technik als auch in den Figuren zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit glei chen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Wärmetauscher rohr 1 nach dem Stand der Technik. Die eingezeichnete Schraf fur zeigt die Wandstärke eines metallenen Rohres 1a, dessen Außendurchmesser 38 mm beträgt. An der Umfangsfläche 1b des Rohres 1a ist eine aus einem Blechband hergestellte gezackte Rippe 2 mit der Schmalseite ihres Rippenfußes 3 verschweißt und steht senkrecht von der Umfangsfläche 1b ab. Die gezackte Rippe 2 ist aus einem geraden langgestreckten Blechband her gestellt, das zunächst in gleichmäßigen Abständen mit Scher schnitten versehen worden ist. Die Scherschnitte haben das Blech in Rippensegmente 4 unterteilt. Anschließend ist das Blechband durch Biegung so umgeformt worden, dass es sich an der Umfangsfläche des Rohres 1a anschmiegt. Durch die Umfor mung sind die Rippensegmente 4 auseinander gespreizt worden und zwischen den Rippensegmenten 4 sind die keilförmigen Lüc ken 5 entstanden. Die sich gegenüberliegenden Scherflächen 4a und 4b eines Rippensegments 4 sind, wie am Besten in Fig. 2 erkennbar, zueinander parallel. Die in Fig. 3 erkennbare Dicke d des Rippensegments 4 ist konstant und entspricht der Dicke des Blechbandes.

Die erfindungsgemäße gezackte Rippe ist in den Fig. 4 bis 6 verdeutlicht. Fig. 4 zeigt den Querschnitt eines Wärmetau scherrohres 1, das mit der erfindungsgemäßen gezackten Rippe 2 versehen ist. Es ist sehr leicht zu erkennen, dass die keil förmigen Lücken 5 zwischen den einzelnen Rippensegmenten 4 schmäler sind als bei den Rippensegmenten 4 nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1. Der Vergleich zwischen den Fig. 2 und 5 macht augenscheinlich, dass der Keilwinkel a der Lücke 5 sich bei der erfindungsgemäßen gezackten Rippe 2 mehr als halbiert hat. Festzustellen ist, dass ein Rippensegment 4 gemäß Fig. 5 die gleiche Materialmenge aufweist wie ein Rip pensegment 4 gemäß Fig. 2.

Die in Fig. 5 dargestellt Form und Breite eines Rippensegments 4 kommt zustande, weil die Materialmenge des Rippensegments 4 anders verteilt ist als bei dem in Fig. 2 gezeigten Rippenseg ment 4 nach dem Stand der Technik. In Fig. 6 ist erkennbar, dass die Dicke d des Rippensegments 4 von dem Rippenfuß 3 zum freien Ende des Rippensegments 4 hin stetig abnimmt. Durch diese Konstruktion und mit den in diesem Ausführungsbeispiel dargestellten Proportionen erhöht sich die wirksame Wärmeüber tragungsoberfläche der erfindungsgemäßen gezackten Rippe 2 um ca. 13% gegenüber der gezackten Rippe 2 des Standes der Tech nik nach den Fig. 1 bis 3.

Die Blechlasche der Rippensegmente 4 weist nach Fig. 5 etwa die Form eines Trapezes auf, wobei die gegenüberliegenden schmalen Scherflächen 4a und 4b der Rippensegmente 4 die schrägen Seiten des Trapezes bilden.

Nach dem Ausführungsbeispiel sind auf einem Meter Rohrlänge des Wärmetauscherrohres 1 in regelmäßigem Abstand zueinander 280 einzelne ringförmige gezackte Rippen 2 angeordnet. Alter nativ kann eine einstückige gezackte Rippe 2 entlang einer Schraubenlinie auf der Umfangsfläche des Rohres angeschweißt sein, wobei in der Summe dieselbe Länge und somit die gleiche Wärmeübertragungsfläche, wie bei 280 ringförmigen Einzelrippen zustande kommt.

Es hat sich erwiesen, dass sowohl bei ringförmiger Anbringung mehrerer Rippen 2 als auch bei einstückiger wendelförmiger Anbringung einer gezackten Rippe 2 im Vergleich mit dem Stand der Technik keine nennenswerte Erhöhung des Strömungswider standes für das umströmende Medium festzustellen ist. Die neue Konstruktion bildet einen sehr zufriedenstellenden Kompromiss zwischen erhöhter Wärmeübertragungsleistung und induziertem Strömungswiderstand.

Der Längsschnitt bzw. das Profil nach Fig. 6 zeigt, dass ein Rippensegment 4 keilförmig ausgebildet ist und ein stumpfes Keilende 4c aufweist. Das zum freien Ende des Ripensegments 4 ausgedünnte Material ist in die Rippensegmentbreite umverteilt worden. Die Oberfläche der Rippensegmente 4 ist glatt. Auf diese Weise werden Reibungsverluste durch die Reibung der Strömung an der Oberfläche der Rippensegmente 4 gering gehal ten.

Die an den Rippenfuß 3 heranreichende tiefste Stelle jeder Lücke 5 weist eine kerbarme abgerundete Form 5a auf, die wäh rend der Umformung des Blechbandes einen Rißfortschritt des Scherschnittes in den Rippenfuß 3 hinein verhindert.

Bezugszeichenliste

1

Wärmetauscherrohr

1

a metallenes Rohr

1

b Umfangsfläche

2

gezackte Rippe

3

Rippenfuß

3

a Schmalseite

4

Rippensegment

4

a Scherfläche

4

b Scherfläche

4

c stumpfes Keilende

5

Lücke

5

a abgerundte Form
α Keilwinkel
d Dicke

Claims

1. Gezackte Rippe (2) aus Blech zur Anbringung an der Um fangsfläche (1b) eines metallenen Rohres (1a), wobei die Rippe (2) aus einem im angebrachten Zustand dem Rohr (1a) zugwandten Rippenfuß (3) mit frei von diesem hervorstehen den laschenförmigen Rippensegmenten (4) und zwischen den Rippensegmenten (4) vorgesehenen Lücken (5) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brei te jedes Rippensegments (4), die durch den Abstand der benachbarten Lücken (5) definiert ist, von dem Rippenfuß (3) zu dem freien Ende des Rippensegments (4) hin zunimmt, und dass die Dicke (d) jedes Rippensegments (4) von dem Rippenfuß (3) zu dem freien Ende des Rippensegments (4) hin abnimmt.

2. Gezackte Rippe nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass das jedes Rippensegment (4) etwa die Form eines Trapezes aufweist.

3. Gezackte Rippe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Längsschnitt der Rippensegmente (4) keilförmig ist.

4. Gezackte Rippe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, dass die Ober fläche der Rippensegmente (4) glatt ist.

5. Gezackte Rippe nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Oberfläche jedes Rippen segments (4) eine Struktur aufweist, die durch ein Walz- oder ein Ziehverfahren hergestellt ist.

6. Gezackte Rippe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, dass die an den Rippenfuß (3) heranreichende tiefste Stelle jeder Lücke (5) eine kerbarme abgerundete Form aufweist.

7. Wärmetauscherrohr (1) mit wenigstens einer gezackten Rippe (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass wenigstens eine Rippe (2) entlang einer ringförmigen Linie stoffschlüssig mit der Umfangsfläche (1b) des Rohres (1a) verbunden ist.

8. Wärmetauscherrohr mit wenigstens einer gezackten Rippe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass wenigstens eine Rippe (2) entlang einer Schraubenlinie stoffschlüssig mit der Um fangsfläche (1b) des Rohres (1a) verbunden ist.