DE102006008083A1

DE102006008083A1 - Strukturiertes Wärmeaustauscherrohr und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102006008083A1
Application number: DE102006008083A
Authority: DE
Inventors: Markus Revermann; Jean Dr. El Hajal; Andreas Dr. Beutler; Andreas Schwitalla
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-23
Also published as: US20070193728A1; JP2007225272A; DE502007003266D1; EP1830151A1; MX2007002102A; PT1830151E; ES2343653T3; JP5376763B2; US8857505B2; DE102006008083B4; CN101025348A; KR20070085126A; ATE462949T1; EP1830151B1; BRPI0700587A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauscherrohr mit mindestens einem auf der Rohrinnenseite strukturierten Bereich, das folgende Merkmale aufweist: a) Auf der Rohrinnenseite verlaufen integrale Innenrippen der Höhe H achsparallel oder schraubenlinienförmig kontinuierlich über den Umfang unter einem Steigungswinkel beta1, gemessen gegen die Rohrachse, unter Bildung von Primärnuten, b) die Innenrippen werden über den gesamten Rohrumfang von zueinander beabstandeten Sekundärnuten gekreuzt, die parallel zueinander unter einem Steigungswinkel beta2, gemessen gegen die Rohrachse, eine Kerbtiefe T2 und einen Nutöffnungswinkel alpha2 aufweisen, c) die Innenrippen und die Sekundärnuten werden über den gesamten Rohrumfang von zueinander beabstandeten Tertiärnuten gekreuzt, die parallel zueinander unter einem Steigungswinkel beta3, gemessen gegen die Rohrachse, kontinuierlich über den Umfang verlaufen und eine Kerbtiefe T3 und einen Nutöffnungswinkel alpha3 aufweisen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung derartiger Wärmeaustauscherrohre, mit auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufenden und auf der Rohrinnenseite achsparallel oder schraubenlinienförmig verlaufenden, integralen Außenrippen und Innenrippen, die von Sekundärnuten und von Tertiärnuten gekreuzt und gekerbt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeaustauscherrohr mit mindestens einem auf der Rohrinnenseite strukturierten Bereich und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Wärmeübertragung tritt in vielen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik sowie in der Prozess- und Energietechnik auf. Zur Wärmeübertragung werden in diesen Gebieten häufig Rohrbündel wärmeaustauscher eingesetzt. In vielen Anwendungenströmt hierbei auf der Rohrinnenseite eine Flüssigkeit, die abhängig von der Richtung des Wärmestroms abgekühlt oder erwärmt wird. Die Wärme wird an das sich auf der Rohraußenseite befindende Medium abgegeben oder diesem entzogen.

Es ist allgemein bekannt, dass in Rohrbündelwärmeaustauschern anstelle von Glattrohren strukturierte Rohre eingesetzt werden. Durch die Strukturen wird der Wärmedurchgang verbessert. Die Wärmestromdichte wird dadurch erhöht und der Wärmeaustauscher kann kompakter gebaut werden. Alternativ kann die Wärmestromdichte beibehalten und die treibende Temperaturdifferenz erniedrigt werden, wodurch eine energieeffizientere Wärmeübertragung möglich ist.

Ein- oder beidseitig strukturierte Wärmeaustauscherrohre für Rohrbündelwärmeaustauscher besitzen üblicherweise mindestens einen strukturierten Bereich sowie glatte Endstücke und eventuell glatte Zwischenstücke. Die glatten End- oder Zwischenstücke begrenzen die strukturierten Bereiche. Damit das Rohr problemlos in den Rohrbündelwärmeaustauscher eingebaut werden kann, sollte der äußere Durchmesser der strukturierten Bereiche nicht größer sein als der äußere Durchmesser der glatten End- und Zwischenstücke.

Als strukturierte Wärmeaustauscherrohre werden häufig integral gewalzte Rippenrohre verwendet. Unter integral gewalzten Rippenrohren werden berippte Rohre verstanden, bei denen die Rippen aus dem Material der Wandung eines Glattrohres geformt wurden. In vielen Fällen besitzen Rippenrohre auf der Rohrinnenseite eine Vielzahl von achsparallelen oder schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen, die die innere Oberfläche vergrößern und den Wärmeübergangskoeffizient auf der Rohrinnenseite verbessern. Auf ihrer Außenseite besitzen die Rippenrohre ring- oder schraubenförmig umlaufende Rippen.

In der Vergangenheit wurden viele Möglichkeiten entwickelt, je nach Anwendung den Wärmeübergang auf der Außenseite von integral gewalzten Rippenrohren weiter zu steigern, indem die Rippen auf der Rohraußenseite mit weiteren Strukturmerkmalen versehen werden. Wie beispielsweise aus der Druckschrift US 5,775,411 bekannt, wird bei Kondensation von Kältemitteln auf der Rohraußenseite der Wärmeübergangskoeffizient deutlich erhöht, wenn die Rippenflanken mit zusätzlichen konvexen Kanten versehen werden. Bei Verdampfung von Kältemitteln auf der Rohraußenseite hat es sich als leistungssteigernd erwiesen, die zwischen den Rippen befindlichen Kanäle teilweise zu verschließen, so dass Hohlräume entstehen, die durch Poren oder Schlitze mit der Umgebung verbunden sind. Wie aus zahlereichen Druckschriften bereits bekannt, werden derartige, im Wesentlichen geschlossene Kanäle durch Umbiegen oder Umlegen der Rippe ( US 3,696,861 , US 5,054,548 ), durch Spalten und Stauchen der Rippe ( DE 2 758 526 C2 , US 4,577,381 ), und durch ein Kerben und Stauchen der Rippe ( US 4,660,630 , EP 0 713 072 B1 , US 4,216,826 ) erzeugt.

Die vorstehend genannten Leistungsverbesserungen auf der Rohraußenseite haben zur Folge, dass der Hauptanteil des gesamten Wärmeübergangswiderstands auf die Rohrinnenseite verschoben wird. Dieser Effekt tritt insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten auf der Rohrinnenseite, wie beispielsweise beim Teillastbetrieb, auf. Um den gesamten Wärmeübergangswiderstand signifikant zu reduzieren, ist es notwendig, den Wärmeübergangskoeffizient auf der Rohrinnenseite weiter zu erhöhen.

Um den Wärmeübergang der Rohrinnenseite zu erhöhen, können die achsparallelen oder schraubenlinienförmig umlaufenden Innenrippen mit Nuten versehen werden, wie es in der Druckschrift DE 101 56 374 C1 beschrieben ist. Hierbei ist von Bedeutung, dass durch die dort offen gelegte Verwendung von profilierten Walzdornen zur Erzeugung der Innenrippen und Nuten die Abmessungen der Innen- und der Außenstruktur des Rippenrohres voneinander unabhängig eingestellt werden können. Dadurch können die Strukturen auf der Außen- und Innenseite auf die jeweiligen Anforderungen angepasst und so das Rohr gestaltet werden.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Innenstrukturen von Wärmeaustauscherrohren der vorgenannten Art so weiterzubilden, dass eine gegenüber bereits bekannten Rohre eine weitere Leistungssteigerung erzielt wird.

Dabei sollte der Gewichtsanteil der Innenstruktur am Gesamtgewicht des Rohres nicht höher sein als bei herkömmlichen, schraubenlinienförmigen Innenrippen konstanten Querschnitts. Des Weiteren sollte eine größere Steigerung des Druckverlustes vermieden werden. Dabei sollten die Abmessungen der Innen- und der Außenstruktur des Rippenrohres voneinander unabhängig einstellbar sein.

Die Erfindung wird bezüglich eines Wärmeaustauscherrohrs durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung eines Wärmeaustauscherrohrs durch die Merkmale des Anspruchs 8 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung schließt ein Wärmeaustauscherrohr mit mindestens einem auf der Rohrinnenseite strukturierten Bereich ein, das folgende Merkmale aufweist:

a) auf der Rohrinnenseite verlaufen integrale Innenrippen der Höhe H achsparallel oder schraubenlinienförmig kontinuierlich über den Umfang unter einem Steigungswinkel β1, gemessen gegen die Rohrachse, unter Bildung von Primärnuten,
b) die Innenrippen werden über den gesamten Rohrumfang von zueinander beabstandeten Sekundärnuten gekreuzt, die parallel zueinander unter einem Steigungswinkel β2, gemessen gegen die Rohrachse, eine Kerbtiefe T2 und einen Nutöffnungswinkel α2 aufweisen,
c) die Innenrippen und die Sekundärnuten werden über den gesamten Rohrumfang von zueinander beabstandeten Tertiärnuten gekreuzt, die parallel zueinander unter einem Steigungswinkel β3, gemessen gegen die Rohrachse, kontinuierlich über den Umfang verlaufen und eine Kerbtiefe T3 und einen Nutöffnungswinkel α3 aufweisen.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass sich bei einem Wärmeaustauscherrohr die durch parallel verlaufende Primärnuten getrennten Innenrippen durch Sekundärnuten gekreuzt werden. Diese Innenstruktur wird von unter einem Steigungswinkel β3 verlaufenden Tertiärnuten, gemessen gegen die Rohrachse, gekreuzt. Bei den Steigungswinkeln β1, β2 und β3 ist es üblich, immer die spitzen Winkel bezüglich der Rohrachse zu benennen. In diesem Sinne folgt beispielsweise bei betragsmäßig gleichen Winkeln β2 und β3, dass eine gekreuzte Innenstruktur durch einen gegensinnigen Umlauf der Sekundär- und Tertiärnuten ausgebildet wird. Bei gleichsinnig umlaufenden Sekundär- und Tertiärnuten sind folglich die Winkel β2 und β3 im Betrag unterschiedlich. Zusätzlich können sich die Sekundär- und Tertiärnuten in mindestens einem der folgenden Merkmale unterscheiden: Kerbtiefe T, Pitch P, Nutöffnungswinkel α.

Die Tiefe T der Sekundär- und Tertiärnuten wird von der Spitze der Innenrippe aus in radialer Richtung gemessen. Der Pitch P ist der kürzeste Abstand benachbarter, paralleler Nuten, die von dem gleichen Dorn erzeugt werden und ist ein Maß für die Rippenteilung. Der Nutöffnungswinkel α ist der Winkel der am profilierten Dorn vorhandenen Nuten, womit die Sekundär- bzw. Tertiärnuten der Innenberippung erzeugt werden.

Der besondere Vorteil besteht darin, dass durch das Einbringen der Tertiärnuten eine Innenstruktur aus einfach gekerbten Innenrippen mit einer helixförmigen Überstruktur entsteht. Dadurch werden dem durch das Rohr strömenden Fluid zusätzliche Wirbel aufgezwungen, was zu einer weiteren Steigerung des inneren Wärmeübergangs führt. Diese Leistungssteigerung übersteigt den Einfluss des als Folge der Wirbelbildung zunehmenden Druckverlusts. Es ist einsichtig, dass durch das Hinzufügen von Tertiärnuten der Gewichtsanteil der Innenstruktur durch das bloße verdrängen des Materials am Gesamtgewicht des Rohres nicht erhöht wird. Damit ist der Gewichtsanteil der Innenstruktur am Gesamtgewicht des Rohres nicht höher als bei herkömmlichen, schraubenlinienförmigen Innenrippen konstanten Querschnitts.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann sich der auf der Rohrinnenseite strukturierte Bereich im Pitch P2 der Sekundärnuten und Pitch P3 der Tertiärnuten unterscheiden. Hierdurch wird die helixförmige Überstruktur ausgestaltet. Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Pitch P2 der Sekundärnuten kleiner als der Pitch P3 der Tertiärnuten ist. Damit liegen die Sekundärnuten enger zusammen als die Tertiärnuten, wodurch die Auswirkung auf die Wirbelbildung entsprechend dem verwendeten Fluid und insbesondere dessen Viskosität angepasst werden können.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung können sich der auf der Rohrinnenseite strukturierte Bereich im Nutöffnungswinkel α2 der Sekundärnuten und α3 der Tertiärnuten unterscheiden. Damit werden insbesondere die Steigungen der durch die Sekundär- und Tertiärnuten strukturierten Rippenflanken beeinflusst. Der Steigungswinkel der Flanken beeinflusst wesentlich das Fließverhalten des im Betrieb hindurch geführten Fluids.

Vorzugsweise kann sich der auf der Rohrinnenseite strukturierte Bereich in der Kerbtiefe T2 der Sekundärnuten und T3 der Tertiärnuten unterscheiden. Dabei kann bei dem auf der Rohrinnenseite strukturierten Bereich die Kerbtiefe T2 der Sekundärnuten kleiner sein als die Kerbtiefe T3 der Tertiärnuten. Hierdurch findet in erster Linie eine Überprägung der durch die Sekundärnuten gekerbten integralen Innenrippen statt.

Vorteilhafterweise können auf der Rohraußenseite integrale Außenrippen achsparallel oder schraubenlinienförmig umlaufen. Für diesen Fall schließt ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Wärmeaustauscherrohres ein, mit auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufenden und auf der Rohrinnenseite achsparallel oder schraubenlinienförmig verlaufenden, integralen, d.h. aus der Rohrwandung herausgearbeiteten Außenrippen und Innenrippen, die von Sekundärnuten und von Tertiärnuten gekreuzt und gekerbt werden, bei dem folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:

a) auf der Außenseite eines Glattrohres werden in einem ersten Umformbereich schraubenlinienförmig verlaufende Außenrippen geformt, indem das Rippenmaterial durch Verdrängen von Material aus der Rohrwandung mittels eines ersten Walzschritts gewonnen wird und das entstehende Rippenrohr durch die Walzkräfte in Drehung versetzt und entsprechend den entstehenden schraubenlinienförmigen Rippen vorgeschoben wird, wobei die Außenrippen mit ansteigender Höhe aus dem sonst unverformten Glattrohr ausgeformt werden,
b) die Rohrwandung wird im ersten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden ersten Walzdorn abgestützt, der drehbar gelagert und profiliert ist, wodurch die Innenrippen ausgebildet werden,
c) in einem zweiten Walzschritt werden die Außenrippen in einem vom ersten Umformbereich beabstandeten zweiten Umformbereich mit weiter ansteigender Höhe ausgebildet und die Innenrippen mit Sekundärnuten versehen, wobei die Rohrwandung im zweiten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden zweiten Walzdorn abgestützt wird, der ebenfalls drehbar und profiliert ausgebildet ist, dessen Profilierung sich aber von der Profilierung des ersten Walzdorns hinsichtlich des Betrages oder der Orientierung des Drallwinkels unterscheidet.
d) in einem dritten Walzschritt werden die Außenrippen in einem vom zweiten Umformbereich beabstandeten dritten Umformbereich mit weiter ansteigender Höhe ausgebildet und die Innenrippen mit Tertiärnuten versehen, wobei die Rohrwandung im dritten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden dritten Walzdorn abgestützt wird, der ebenfalls drehbar und profiliert ausgebildet ist, und sich dessen Profilierung aber von der Profilierung des ersten Walzdorns und des zweiten Walzdorns hinsichtlich des Betrages und/oder der Orientierung des Drallwinkels unterscheidet.

Die Erfindung geht bezüglich des Herstellungsverfahrens von der Überlegung aus, dass zur Erzeugung eines strukturierten Wärmeaustauscherrohres mit den vorgeschlagenen Tertiärnuten in den mit Sekundärnuten versehenden Innenrippen das Walzwerkzeug zur Formung der Außenrippen in mindestens drei voneinander beabstandeten Walzscheibenpaketen aufgebaut wird. Diese Walzscheibenpakete erzeugen schraubenförmig umlaufende Außenrippen und sorgen gleichzeitig für den zur Strukturierung benötigten Vorschub des Rohres. Die Innenstruktur wird durch drei unterschiedlich profilierte Walzdorne geformt. Der erste Walzdorn unterstützt das Rohr im Umformbereich unter dem ersten Walzscheibenpaket und formt zunächst schraubenlinienförmig umlaufende oder achsparallele Innenrippen, wobei diese Innenrippen zunächst einen konstanten Querschnitt aufweisen. Der zweite Walzdorn unterstützt das Rohr im Umformbereich unter dem zweiten Walzscheibenpaket größeren Durchmessers und formt die Sekundärnuten in die zuvor geformten schraubenförmig umlaufenden bzw. achsparallelen Rippen. Der dritte Walzdorn erzeugt unter dem dritten Walzscheibenpaket die Tertiärnuten in die zuvor erzeugte Innenstruktur bestehend aus den einfach gekerbten Rippen. Die Tiefen der Sekundär- und Tertiärnuten werden im Wesentlichen durch die Wahl der Durchmesser der drei Walzdorne festgelegt.

Zu den bereits bezüglich der Wärmeaustauscherrohre genannten Vorteilen der Erfindung treten durch das Herstellungsverfahren weitere Vorteile hinzu, indem die mit den unterschiedlichen Walzwerkzeugen erzielten Abmessungen die Innen- und die Außenstruktur des Rippenrohres voneinander unabhängig einstellbar sind. So können für einen optimalen Wärmedurchgang die Innen- und die Außenstruktur optimal aufeinander abgeglichen werden.

Bevorzugt kann als Abstand der Umformbereiche im Wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung der Außenrippen eingestellt werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns kleiner als der Außendurchmesser des ersten Walzdorns gewählt werden. Vorteilhafterweise kann auch der Außendurchmesser des dritten Walzdorns kleiner als der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns gewählt werden. Bei dieser Durchmesserabstufung der Walzdorne wird der Prägevorgang in radialer Richtung gewährleistet.

In weiterer bevorzugter Ausführungsform können die Tiefen T2 und T3 der Sekundär- und Tertiärnuten durch Wahl der Durchmesser der Walzdorne und durch Wahl der Durchmesser der jeweils größten Walzscheiben der drei Walzwerkzeuge eingestellt werden. Dies bringt zu Ausdruck, dass der gesamte Materialfluss auf der Rohrinnen- und Rohraußenseite durch den entsprechenden Einsatz der äußeren Walzwerkzeuge und der inneren Walzdorne zu optimieren ist.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch die Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres mittels dreier Dorne mit unterschiedlichem Drall und unterschiedlicher Teilung,
2 eine schematische Teilansicht der erzeugten Innenstruktur,
3 ein Foto einer Innenstruktur,
4 schematisch einen Teil des Schnitts durch die Innenstruktur von 3 entlang der Linie X-X, und
5 ein Diagramm, das die Verbesserung des inneren Wärmeübergangs gegenüber den einfach gekerbten Innenrippen über die Reynoldszahl zeigt. Des Weiteren ist das Verhältnis der Druckverluste von der neuen Innenstruktur gegenüber der Innenstruktur ohne Tertiärnuten mit dargestellt.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Das integral gewalzte Rippenrohr 1 weist auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig kontinuierlich über dem Umfang umlaufende Außenrippen 6 auf. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Rippenrohres erfolgt durch einen Walzvorgang mittels der in 1 dargestellten Walzvorrichtung.
Es wird eine Vorrichtung verwendet, die aus n = 3 oder 4 Werkzeughaltern 80 besteht, in die jeweils mindestens drei von einander beabstandete Walzwerkzeuge mit Walzscheiben 50, 60 und 70 integriert sind. In 1 ist aus Gründen der Übersicht nur ein Werkzeughalter 80 dargestellt.
Die Achse eines Werkzeughalters 80 ist gleichzeitig die Achse der drei zugehörigen Walzwerkzeuge 50, 60 und 70, wobei diese schräg zur Rohrachse verläuft. Die Werkzeughalter 80 sind jeweils um 360°/n versetzt am Umfang des Rippenrohres 1 angeordnet. Die Werkzeughalter 80 sind in Bezug auf das Rohr radial zustellbar. Sie sind ihrerseits in einem ortsfesten, nicht dargestellten Walzkopf angeordnet. Der Walzkopf ist im Grundgerüst der Walzvorrichtung fixiert. Die Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 bestehen jeweils aus mehreren nebeneinander angeordneten Walzscheiben, deren Durchmesser in Walzrichtung R ansteigt. Die Walzscheiben des zweiten Walzwerkzeugs 60 haben folglich einen größeren Durchmesser als die Walzscheiben des ersten Walzwerkzeugs 50, die Walzscheiben des dritten Walzwerkzeugs 70 haben wiederum einen größeren Durchmesser als die Walzscheiben des zweiten Walzwerkzeugs 60.
Ebenfalls Bestandteil der Vorrichtung sind drei profilierte Walzdorne 10, 20 und 30, mit deren Hilfe die Innenstruktur des Rohres erzeugt wird. Die Walzdorne 10, 20 und 30 sind am freien Ende einer Walzdornstange 40 angebracht und zueinander drehbar gelagert. Die Walzdornstange 40 ist an ihrem anderen Ende am Grundgerüst der Walzvorrichtung befestigt. Die Walzdorne 10, 20 und 30 sind im Arbeitsbereich der Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 zu positionieren. Die Walzdornstange 40 muss mindestens so lang sein wie das herzustellende Rippenrohr 1. Vor der Bearbeitung wird das Glattrohr 7 bei nicht zugestellten Walzwerkzeugen 50, 60 und 70 nahezu vollständig über die Walzdorne 10, 20 und 30 auf die Walzdornstange 40 geschoben. Lediglich der Teil des Glattrohres 7, der beim fertigen Rippenrohr 1 das erste glatte Endstück bilden soll, wird nicht über die Walzdorne 10, 20 und 30 geschoben.
Zur Bearbeitung des Rohres werden die am Umfang angeordneten, rotierenden Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 auf das Glattrohr 7 radial zugestellt und mit diesem in Eingriff gebracht. Das Glattrohr 7 wird dadurch in Drehung versetzt. Da die Achse der Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 zur Rohrachse schräg gestellt ist, formen die Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 schraubenlinienförmig umlaufenden Außenrippen 6 aus der Rohrwandung des Glattrohrs 7 und schieben gleichzeitig das entstehende Rippenrohr 1 entsprechend der Steigung der schraubenlinienförmig umlaufenden Außenrippen 6 in Walzrichtung R vor. Die Außenrippen 6 laufen vorzugsweise wie ein mehrgängiges Gewinde um. Der längs zur Rohrachse gemessene Abstand der Mitten zweier benachbarter Außenrippen 6 wird als Rippenteilung bezeichnet. Die Abstände zwischen den drei Walzwerkzeugen 50, 60 und 70 müssen so angepasst sein, dass die Walzscheiben des nachfolgenden Walzwerkzeugs 60 bzw. 70 in die Nuten 6c bzw. 6d greifen, die zwischen den vom vorherigen Walzwerkzeug 50 bzw. 60 geformten Rippen 6a bzw. 6b sind. Idealerweise sind diese Abstände ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung der Außenrippen. Das folgende Walzwerkzeug 60 oder 70 führt dann die weitere Formung der Außenrippen 6a oder 6b fort.
In der Umformzone des ersten Walzwerkzeugs 50 wird die Rohrwandung durch einen ersten profilierten Walzdorn 10 unterstützt, in der Umformzone des zweiten Walzwerkzeugs 60 wird die Rohrwandung durch einen zweiten profilierten Walzdorn 20 unterstützt und in der Umformzone des dritten Walzwerkzeugs 70 wird die Rohrwandung durch den dritten profilierten Walzdorn 30 unterstützt. Die Achsen der drei Walzdorne 10, 20 und 30 sind identisch mit der Achse des Rippenrohres 1. Die Walzdorne 10, 20 und 30 sind unterschiedlich profiliert. Der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns 20 ist höchstens so groß wie der Außendurchmesser des ersten Walzdorns 10. Der Außendurchmesser des dritten Walzdorns 30 ist wiederum höchstens so groß wie der Außendurchmesser des zweiten Dorns 20. Typischerweise ist der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns 20 um bis zu 0,8 mm kleiner als der Außendurchmesser des ersten Walzdorns 10, und der Außendurchmesser des dritten Walzdorns 30 ist bevorzugt bis zu 0,5 mm kleiner als der Außendurchmesser des zweiten Walzdorn 20. Das Profil der Walzdorne 10, 20 und 30 besteht üblicherweise aus einer Vielzahl von trapezförmigen Nuten 10b, 20b und 30b, die parallel zueinander auf der Außenfläche des Dorns angeordnet sind. Das zwischen zwei benachbarten Nuten 10b, 20b und 30b befindliche Material des Walzdorns wird als Steg 10a, 20a oder 30a bezeichnet. Die Stege 10a, 20a oder 30a besitzen einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt. Die Öffnungswinkel der Nuten werden bei Dorn 20 mit α2 und an Dorn 30 mit α3 bezeichnet. Die Nuten 10b und 20b der ersten und zweiten Walzdorne 10 und 20 verlaufen üblicherweise unter einem Winkel von 0° bis 70° zur Achse des Dorns geneigt. Die Nuten 30b des dritten Walzdorns 30 verlaufen in der Regel unter einem Winkel von 10° bis 80°. Beim ersten Walzdorn 10 wird dieser Winkel mit β1, beim zweiten Walzdorn 20 mit β2 und beim dritten Walzdorn 30 wird dieser Winkel mit β3 bezeichnet. Der Winkel 0° entspricht dem Fall, dass die Nuten 10b, 20b oder 30b parallel zur Achse der Walzdorne 10, 20 oder 30 verlaufen. Ist der Winkel von 0° verschieden, verlaufen die Nuten 10b, 20b oder 30b schraubenlinienförmig. Schraubenlinienförmig verlaufende Nuten können linksgängig oder rechtsgängig orientiert sein. In 1 ist der Fall dargestellt, dass der erste Walzdorn 10 linksgängige Nuten 10b, der zweite und der dritte Walzdorn 20 und 30 rechtsgängige Nuten 20b und 30b aufweisen.
Die damit erzeugte Innenstruktur ist in 2 anhand einer schematischen Teilansicht dargestellt. Dabei ist die Tiefe T3 der Tertiärnuten 5 größer als die Tiefe T2 der Sekundärnuten 4. Die Drallrichtungen der Sekundär- 4 und Tertiärnuten 5 unterscheiden sich dabei im Betrag, jedoch nicht in der Richtung.
In 3 ist anhand einer Fotographie einer Innenstruktur, bei der die Tiefe T3 der Tertiärnuten 5 größer ist als die Tiefe T2 der Sekundärnuten 4, die Drallwinkel der Sekundär- 4 und Tertiärnuten 5 sind dabei gleichsinnig, sie unterscheiden sich aber in ihren Betrag.
Für die Walzdorne mit gleichsinniger Orientierung müssen sich die entsprechenden Steigungswinkel β1, β2 oder β3 der Dorne 10, 20 oder 30 unterscheiden. Die drei Walzdorne 10, 20 und 30 sind zueinander drehbar gelagert.
Durch die radialen Kräfte des ersten Walzwerkzeugs 50 wird das Material der Rohrwand in die Nuten 10b des ersten Walzdorns 10 gepresst. Dadurch werden schraubenlinienförmig kontinuierlich über den Umfang umlaufende Innenrippen 2a auf der Innenfläche des Rippenrohres 1 geformt. Zwischen zwei benachbarten Innenrippen 2a verlaufen Primärnuten 3. Entsprechend der Form der Nuten 10b des ersten Walzdorns 10 haben die Innenrippen 2a einen trapezförmigen Querschnitt, der zunächst entlang der Innenrippe 2a konstant bleibt. Die Innenrippen 2a sind gegenüber der Rohrachse um den gleichen Winkel β1 geneigt wie die Nuten 10b zur Achse des ersten Walzdorns 1. Die Höhe der fertig strukturierten Innenrippen 2 wird mit H bezeichnet und beträgt üblicherweise 0,15–0,60 mm.
Durch die radialen Kräfte des zweiten Walzwerkzeugs 60 werden die Innenrippen 2a auf den zweiten Walzdorn 20 gepresst. Da die Nuten 20b des zweiten Walzdorns 20 unter einem anderen Winkel zur Dornachse und damit unter einem anderen Winkel zur Rohrachse verlaufen als die Nuten 10b des ersten Walzdorns 10, treffen die Innenrippen 2a abschnittsweise auf eine Nut 20b oder einen Steg 20a des zweiten Walzdorns 20. In den Abschnitten, in denen eine Innenrippe 2a auf eine Nut 20b trifft, wird das Material der Innenrippe 2a in die Nut 20b gepresst. In den Abschnitten, in denen eine Innenrippe 2a auf einen Steg 20a trifft, wird das Rippenmaterial verformt und es werden parallel zueinander verlaufende Sekundärnuten 4, die kontinuierlich über den Umfang verlaufen, in die Innenrippen eingeprägt. Die Sekundärnuten 4 besitzen einen Nutöffnungswinkel der dem Öffnungswinkel α2 des zweiten Walzdorns entspricht. Der Abstand der Sekundärnuten 4 wird als Pitch P2 bezeichnet. Entsprechend der Form der Stege 20a des zweiten Walzdorns 20 haben die Sekundärnuten 4 einen trapezförmigen Querschnitt. Sekundärnuten 4, die vom selben Steg 20a in unterschiedliche Innenrippen eingeprägt werden, sind zueinander fluchtend angeordnet. Der Winkel, den die Sekundärnuten 4 mit der Rohrachse bilden, ist gleich dem Winkel β2, den die Nuten 20b des zweiten Walzdornes 20 mit der Achse des zweiten Walzdornes 20 einschließen.
Durch die radialen Kräfte des dritten Walzwerkzeugs 70 werden die einfach gekerbten Innenrippen 2b auf den dritten Dorn 30 gepresst. Da sich die Geometrie des dritten Walzdorns 30 von den Geometrien der ersten beiden Dorne 10 und 20 unterscheidet, treffen die einfach gekerbten Rippen 2b abschnittsweise auf eine Nut 30b oder einen Steg 30a des dritten Walzdorns 30. In den Abschnitten, in denen die einfach gekerbte Innenrippe 2b auf einen Steg 30a trifft, wird das Material der einfach gekerbten Innenrippe 2b verformt und es werden parallel zueinander verlaufende Tertiärnuten 5 gebildet, die kontinuierlich über den Umfang verlaufen, in die einfach gekerbten Innenrippen 2b eingeprägt. Die Tertiärnuten 5 besitzen einen Nutöffnungswinkel der dem Öffnungswinkel α3 des dritten Walzdorns 30 entspricht. Der Abstand der Tertiärnuten 5 wird als Pitch P3 bezeichnet. Entsprechend der Form der Stege 30a des dritten Walzdorns 30 haben die Tertiärnuten 5 einen trapezförmigen Querschnitt. Aufgrund der Teilung des dritten Dorns 30, die größer ist als die Teilung der ersten beiden Walzdorne 10 und 20, entsteht durch die Tertiärnuten 5 eine helixförmige Überstruktur. Der Winkel, den die Tertiärnuten 5 mit der Rohrachse bilden, ist gleich dem Winkel β3.
Die Tiefen T2 und T3 der Sekundär- und Tertiärnuten 4 und 5 werden von der Spitze der Innenrippe 2 aus in radialer Richtung gemessen. Durch geeignete Wahl der Außendurchmesser der Walzdorne 10, 20 und 30, sowie durch geeignete Wahl der Außendurchmesser der jeweils größten Walzscheiben der drei Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 können die Tiefen T2 und T3 der Sekundär- und Tertiärnuten 4 und 5 variiert werden: Je kleiner der Unterschied im Außendurchmesser zwischen zwei benachbarten Walzdornen 10 und 20 oder 20 und 30 ist, desto größer ist die Kerbtiefe der erzeugten Nuten 4 oder 5 des nachfolgenden Walzdorns 20 oder 30. Eine Änderung des Außendurchmessers von einem der drei Walzdorne 10, 20 oder 30 hat jedoch nicht nur eine Veränderung der Kerbtiefe T2 oder T3 der Sekundär- oder Tertiärnuten 4 oder 5 zur Folge, sondern bewirkt üblicherweise auch eine Veränderung der Höhe der Außenrippen 6. Dieser Effekt kann jedoch kompensiert werden, indem man den Aufbau der Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 modifiziert. Insbesondere können hierzu die Durchmesser der letzten Walzscheiben in einem der Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 angepasst werden.
Um die Strömung der im Rohr fließenden Flüssigkeit deutlich zu beeinflussen, sollte die Tiefe T2 der Sekundärnuten 4 mindestens 20 % der Höhe H der Innenrippen 2 betragen, die Tiefe der Tertiärnuten T3 sollte mindestens 20 % der Höhe H betragen. Vorzugsweise ist T3 größer als T2.
4 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Innenstruktur von 3 entlang der Linie X-X. Die Höhenverhältnisse zwischen Innenrippen 2, Primär- 3, Sekundär- 4 und Tertiärnuten 5 sind hier deutlich zu erkennen.
Durch die Sekundärnuten 4 wird die Innenstruktur des Rippenrohres 1 mit zusätzlichen Kanten versehen. Strömt Flüssigkeit auf der Innenseite des Rohres, dann entstehen an diesen Kanten zusätzliche Wirbel in der Flüssigkeit, die die Wärmeübertragung auf die Rohrwand verbessern. Durch die Tertiärnuten 5 entsteht eine helixförmige Überstruktur, wodurch in der Flüssigkeitsströmung zusätzliche Wirbel entstehen. Durch diese zusätzlichen Wirbel wird eine weitere Steigerung des inneren Wärmeübergangs erreicht.
Die Beschreibung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zeigt, dass durch die Vielzahl der bei diesem Verfahren wählbaren Werkzeugparameter die Abmessungen der Außen- und Innenstruktur in weiten Bereichen voneinander unabhängig eingestellt werden können. Insbesondere ermöglicht die Aufteilung des Walzwerkzeugs der drei beabstandeten Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 die Tiefen T2 und T3 der Sekundär- 4 und Tertiärnuten 5 zu variieren ohne gleichzeitig die Höhe der Außenrippen 6 zu verändern.
Beidseitig strukturierte Rippenrohre für die Kälte- und Klimatechnik werden häufig aus Kupfer oder Kupfernickel hergestellt. Da bei diesen Metallen der reine Materialpreis einen nicht unerheblichen Anteil an den Gesamtkosten des Rippenrohres bedingt, ist es vorteilhaft, dass bei gegebenem Rohrdurchmesser das Gewicht des Rohres möglichst gering ist. Der Gewichtsanteil der Innenstruktur am Gesamtgewicht beträgt bei heutzutage kommerziell erhältlichen Rippenrohren je nach Höhe der Innenstruktur und damit je nach Leistungsfähigkeit 10 % bis 20 %. Durch die erfindungsgemäßen Tertiärnuten 5 in den einfach gekerbten Innenrippen von beidseitig strukturierten Rippenrohren 1 kann die Leistungsfähigkeit derartiger Rohre beträchtlich erhöht werden, ohne dass der Gewichtsanteil der Innenstruktur erhöht wird.
5 zeigt ein Diagramm, das den Leistungsvorteil der erfindungsgemäßen Innenstruktur dokumentiert. Aufgetragen ist die Verbesserung des inneren Wärmeübergangs der erfindungsgemäßen Innenstruktur gegenüber der nur einfach gekerbten Innenstruktur über die Reynoldszahl bei Strömung von Wasser. Die Innenrippenhöhe beträgt bei beiden Rohren ungefähr 0,3 mm. Die Geometrie des verwendeten ersten und zweiten Dorns ist bei beiden Innenstrukturen identisch. Das Rippenrohr mit der zweifach gekerbten Innenstruktur weist einen Vorteil des inneren Wärmeübergangs im Reynoldsbereich von 20000 bis 60000 von 8 % bis 20 % auf.

1: Wärmeaustauscherrohr/Rippenrohr
2: Innenrippen
2a: Innenrippen nach erstem Walzdorn
2b: Innenrippen nach zweitem Walzdorn
3: Primärnuten
4: Sekundärnuten
5: Tertiärnuten
6: Außenrippen
6a: Außenrippen nach erstem Walzwerkzeug
6b: Außenrippen nach zweitem Walzwerkzeug
6c: Nuten der Außenberippung nach erstem Walzwerkzeug
6d: Nuten der Außenberippung nach zweitem Walzwerkzeug
7: Glattrohr
10: erster Walzdorn
10a: Stege des ersten Walzdorns
10b: Nuten des ersten Walzdorns
20: zweiter Walzdorn
20a: Stege des zweiten Walzdorns
20b: Nuten des zweiten Walzdorns
30: dritter Walzdorn
30a: Stege des dritten Walzdorns
30b: Nuten des dritten Walzdorns
40: Walzdornstange
50: erstes Walzwerkzeug mit Walzscheiben
60: zweites Walzwerkzeug mit Walzscheiben
70: drittes Walzwerkzeug mit Walzscheiben
80: Werkzeughalter
α2: Nutöffnungswinkel der Sekundärnuten
α3: Nutöffnungswinkel der Tertiärnuten
β1: Steigungswinkel der Innenrippen
β2: Steigungswinkel der Sekundärnuten
β3: Steigungswinkel der Tertiärnuten
H: Höhe der Innenrippen
T2: Kerbtiefe der Sekundärnuten
T3: Kerbtiefe der Tertiärnuten
P: Teilung der Innennuten
P2: Teilung der Sekundärnuten
P3: Teilung der Tertiärnuten
R: durch Pfeil vorgegebene Walzrichtung

Claims

Wärmeaustauscherrohr (1) mit mindestens einem auf der Rohrinnenseite strukturierten Bereich, das folgende Merkmale aufweist: a) auf der Rohrinnenseite verlaufen integrale Innenrippen (2) der Höhe H achsparallel oder schraubenlinienförmig kontinuierlich über den Umfang unter einem Steigungswinkel β1, gemessen gegen die Rohrachse, unter Bildung von Primärnuten (3), b) die Innenrippen (2) werden über den gesamten Rohrumfang von zueinander beabstandeten Sekundärnuten (4) gekreuzt, die parallel zueinander unter einem Steigungswinkel β2, gemessen gegen die Rohrachse, eine Kerbtiefe T2 und einen Nutöffnungswinkel α2 aufweisen, c) die Innenrippen (2) und die Sekundärnuten (4) werden über den gesamten Rohrumfang von zueinander beabstandeten Tertiärnuten (5) gekreuzt, die parallel zueinander unter einem Steigungswinkel β3, gemessen gegen die Rohrachse, kontinuierlich über den Umfang verlaufen und eine Kerbtiefe T3 und einen Nutöffnungswinkel α3 aufweisen.
Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der auf der Rohrinnenseite strukturierte Bereich im Pitch P2 der Sekundärnuten und Pitch P3 der Tertiärnuten unterscheidet.
Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pitch P2 der Sekundärnuten (4) kleiner als der Pitch P3 der Tertiärnuten (5) ist.
Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der auf der Rohrinnenseite strukturierte Bereich im Nutöffnungswinkel α2 der Sekundärnuten (4) und α3 der Tertiärnuten (5) unterscheidet.
Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der auf der Rohrinnenseite strukturierte Bereich in der Kerbtiefe T2 der Sekundärnuten (4) und T3 der Tertiärnuten (5) unterscheidet.
Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem auf der Rohrinnenseite strukturierten Bereich die Kerbtiefe T2 der Sekundärnuten (4) kleiner als die Kerbtiefe T3 der Tertiärnuten (5) ist.
Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf dessen Rohraußenseite integrale Außenrippen (6) achsparallel oder schraubenlinienförmig umlaufen.
Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Wärmeaustauscherrohres, nach Anspruch 7, mit auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufenden und auf der Rohrinnenseite achsparallel oder schraubenlinienförmig verlaufenden, integralen, d. h. aus der Rohrwandung herausgearbeiteten Außenrippen (6) und Innenrippen (2), die von Sekundärnuten (4) und von Tertiärnuten (5) gekreuzt und gekerbt werden, bei dem folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden: a) auf der Außenseite eines Glattrohres (7) werden in einem ersten Umformbereich schraubenlinienförmig verlaufende Außenrippen (6a) geformt, indem das Rippenmaterial durch Verdrängen von Material aus der Rohrwandung mittels eines ersten Walzschritts gewonnen wird und das entstehende Rippenrohr durch die Walzkräfte in Drehung versetzt und entsprechend den entstehenden schraubenlinienförmigen Rippen vorgeschoben wird, wobei die Außenrippen (6a) mit ansteigender Höhe aus dem sonst unverformten Glattrohr ausgeformt werden, b) die Rohrwandung wird im ersten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden ersten Walzdorn (10) abgestützt, der drehbar gelagert und profiliert ist, wodurch die Innenrippen (2) ausgebildet werden, c) in einem zweiten Walzschritt werden die Außenrippen (6b) in einem vom ersten Umformbereich beabstandeten zweiten Umformbereich mit weiter ansteigender Höhe ausgebildet und die Innenrippen (2) mit Sekundärnuten (4) versehen, wobei die Rohrwandung im zweiten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden zweiten Walzdorn (20) abgestützt wird, der ebenfalls drehbar und profiliert ausgebildet ist, dessen Profilierung sich aber von der Profilierung des ersten Walzdorns (10) hinsichtlich des Betrages oder der Orientierung des Drallwinkels unterscheidet. d) in einem dritten Walzschritt werden die Außenrippen (6) in einem vom zweiten Umformbereich beabstandeten dritten Umformbereich mit weiter ansteigender Höhe ausgebildet und die Innenrippen (2) mit Tertiärnuten (5) versehen, wobei die Rohrwandung im dritten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden dritten Walzdorn (30) abgestützt wird, der ebenfalls drehbar und profiliert ausgebildet ist, und sich dessen Profilierung aber von der Profilierung des ersten Walzdorns (10) und des zweiten Walzdorns (20) hinsichtlich des Betrages und/oder der Orientierung des Drallwinkels unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstand der Umformbereiche im Wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung der Außenrippen eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns (20) kleiner als der Außendurchmesser des ersten Walzdorns (10) gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des dritten Walzdorns (30) kleiner als der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns (20) gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefen T2 und T3 der Sekundär- (4) und Tertiärnuten (5) durch Wahl der Durchmesser der Walzdorne (20, 30) und durch Wahl der Durchmesser der jeweils größten Walzscheiben der drei Walzwerkzeuge (50, 60, 70) eingestellt werden.