DE102006013384B4

DE102006013384B4 - Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs

Info

Publication number: DE102006013384B4
Application number: DE102006013384A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr. Walther; Rolf Wamsler; Martin Straub; Eberhard Lepin; Hans-Achim Dr. Kuhn; Robert Klöckler; Wolfgang Zeiler; Andreas Dr. Beutler; Johann Gschaider
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: DE102006013384A1; CN101395289A; ES2370352T3; DK1996739T3; WO2007110165A1; CN101395289B; EP1996739A1; US20090301701A1; EP1996739B1; JP2009530581A; ATE518013T1

Abstract

Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs, bestehend aus einer Kupferlegierung, welche die Legierungselemente [in Gew.-%]
0,05–3% Fe,
0,01–0,15% P,
und wahlweise
0,05–0,2% Zn
0,02–0,05% Sn
und Rest Cu sowie unvermeidliche Verunreinigungen enthält, als Kondensator-, Verdampfer- oder Gaskühlerrohr für einen Betriebsdruck oberhalb des kritischen Punktes einer mit CO₂ arbeitenden Kältemaschine oder Wärmepumpe, wobei das Verhältnis der Wandstärke zum Rohraußendurchmesser im Bereich von 0,025 bis 0,08 liegt und das Rohrmaterial eine Dehngrenze R_p0,2 über 160 N/mm² aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs, bestehen aus einer Kupferlegierung, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Nachdem die chlorhaltigen Sicherheitskältemittel (FCKW) aufgrund ihrer ozonschädigenden Wirkung durch chlorfreie Sicherheitskältemittel (HFKW) ersetzt wurden, kam schon bald die Diskussion um deren hohes Treibhauspotential auf. Vermehrt in den Blick rückten aus diesem Grund die natürlichen Kältemittel, vor allem CO2.
CO2 ist als natürliches Kältemittel, das nicht zur Zerstörung der Ozonschicht beiträgt und sich bezüglich des direkten Beitrags zum Treibhauseffekt neutral verhält, eine ökologisch interessante und je nach Anwendung und Rahmenbedingung wirtschaftliche Alternative zu den heute in Europa überwiegend eingesetzten HFKW-Kältemitteln.
So sind in der Kältetechnik Anwendungen im Kaskadenbetrieb mit NH3 bekannt, in denen CO2 Verdampfer und Kondensatoren im unterkritischen Betrieb eingesetzt werden, aber auch transkritische CO2-Kälteprozesse und -Wärmepumpen, in denen der Verdampfer unterhalb und der dem Kondensator entsprechende Gaskühler oberhalb des kritischen Punktes von CO2 arbeiten.
Insbesondere im letzteren Fall des Gaskühlers liegt der Arbeitsbereich des Kältemittels CO2 bei Drücken bis zu 130 bar und somit weit oberhalb der bei FCKW- und HFKW-Sicherheitskältemitteln üblichen Drücke bis zu 35 bar. Aber auch für Verdampfer werden je nach Anwendung zulässige Drücke bis 50 bar gefordert, insbesondere wenn eine Heißgasabtauung vorgesehen ist.
Diese Druckanforderungen sind mit Kupferrohren aus Cu-DHP, welche üblicherweise in mit FCKW- und HFKW-Sicherheitkältemitteln betriebenen Wärmeaustauschern eingesetzt werden, nur schwer zu realisieren, da sehr große Rohrwandstärken einzusetzen sind, mit entsprechend negativen Auswirkungen auf die Verarbeitbarkeit, insbesondere das Aufweiten und Biegen, das Gewicht des Wärmeaustauschers und die Apparatekosten. Stattdessen ist es heute Stand der Technik, Rohre aus feuerverzinktem Stahl oder Edelstahl einzusetzen, mit denen die genannten Drücke relativ einfach zu beherrschen sind.
Allerdings weisen auch die bisher eingesetzten Rohre aus Stahl bzw. Edelstahl deutliche Nachteile gegenüber Kupfer in Bezug auf die Verarbeitbarkeit, die Effizienz und die Kosten auf.
Aus der Druckschrift DE 20 22 298 C3 ist die Verwendung einer Kupfer-Eisen-Phosphor-Legierung für Wärmetausch-Rippenrohre für eine Süßwasserbereitungsanlage bekannt, die auf einer Wandungsseite von kondensiertem Wasserdampf und auf der anderen Wandungsseite von einem Kühlfluid beaufschlagt werden. Ein wichtiges Einsatzgebiet der Rippenrohre ist deren Verwendung in Kondensatoren zur Aufbereitung von Trinkwasser aus Salzwasser. Vorrangiges Ziel ist es, durch Rippenwendeln die Wärmeübergangsleistung der Rohre entsprechend zu steigern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Alternativlösungen zu suchen, die auch bei hohen Drucklagen den Einsatz von Kupferlegierungen bei kleinen Rohrwandstärken erlauben.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, ein Wärmeaustauscherrohr, bestehend aus einer Kupferlegierung, welche die Legierungselemente [in Gew.-%]
0,05–3% Fe,
0,01–0,15% P,
und wahlweise
0,05–0,2% Zn
0,02–0,05% Sn
und Rest Cu sowie unvermeidliche Verunreinigungen enthält, als Gaskühler-, Kondensator- oder Verdampferrohr einer mit CO₂ arbeitenden Kältemaschine oder Wärmepumpe zu verwenden.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein Wärmeaustauscherrohr mit einer innenseitig im Wesentlichen glatten oder strukturierten Oberfläche zum Einsatz im Gaskühler, Kondensator oder Verdampfer einer mit CO2 arbeitenden Kältemaschine oder Wärmepumpe verwendet wird. In diesem Zusammenhang schließt der Begriff innenseitig im Wesentlichen glatt auch durch Schweißnähte entstehende Oberflächen mit ein. Das Arbeitsmedium CO2 fließt dabei auf der Innenseite der Wärmeaustauscherrohre und weist abhängig von den Temperaturbedingungen der speziellen Anwendung eine Drucklage auf, die sich deutlich von den für FCKW- und HFKW-Sicherheitskältemitteln bekannten Drücken abhebt und hohe Anforderungen an die Druckbeständigkeit der eingesetzten Rohre stellt.
Bisher wurden in entsprechenden Anwendungen zumeist Edelstähle und Stähle bevorzugt eingesetzt, da die in der Kälte-/Klimatechnik sonst üblichen Kupferrohre aus Cu-DHP aufgrund der Drucklage und der erforderlichen großen Wandstärken bisher hohe Kostennachteile aufwiesen.
Der besondere Vorteil besteht darin, dass durch die erfindungsgemäßen höherfesten Cu-Legierungen, die auch bei hohen Drucklagen kleine Wandstärken erlauben, somit deutliche Materialeinsparungen ermöglicht und dadurch Gewichts- und Kostenvorteile erzielt werden. Zudem weisen diese Cu-Legierungen exzellente Eigenschaften bei der Verarbeitung, insbesondere dem Aufweiten, Biegen und Löten auf.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Rohraußendurchmesser im Bereich von 3–16 mm liegen. In diesem Zusammenhang kann das Verhältnis der Wandstärke zum Rohraußendurchmesser vorteilhafterweise im Bereich von 0,025 bis 0,08 gewählt werden. Hierdurch ergeben sich Rohrwandstärken, welche im ähnlichen Größenbereich wie heute für HFKW-Sicherheitskältemittel üblicherweise verwendete Kupferrohre aus Cu-DHP liegen und somit sehr gute Eigenschaften bzgl. der Weiterverarbeitbarkeit erwarten lassen.
In bevorzugter Weiterbildung kann das Rohrmaterial eine Dehngrenze R_p0,2 über 160 N/mm² aufweisen. Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Rohrmaterial eine Zugfestigkeit R_m über 300 N/mm² besitzt. Hierdurch ergeben sich zum Beispiel für ein Rohr mit Außendurchmesser 9,52 mm und einem Betriebsdruck von 130 bar notwendige Rohrwandstärken von höchstens 0,55 mm und damit eine Materialeinsparung von mehr als 40% gegenüber Rohren aus Cu-DHP.
Vorzugsweise kann das Wärmeaustauscherrohr aus einem Bandmaterial geformt sein und eine Schweißnaht aufweisen. Dabei kommen auch Schweißnähte in Betracht, die sich in axialer Richtung erstrecken oder spiralig umlaufend sind. Als mögliches Fügeverfahren zur Rohrherstellung eignet sich insbesondere das Hochfrequenzschweißverfahren. Hierdurch ergeben sich als besondere Vorteile gegenüber anderen Fügeverfahren zum einen realisierbare hohe Fertigungsgeschwindigkeiten und zum anderen ein Gefügezustand, der nach einem üblicherweise folgenden Glühprozess keine Festigkeitseinbußen gegenüber dem vom Fügeprozess nicht beeinflussten Material aufweist.
Alternativ kann das Wärmeaustauscherrohr nahtlos sein. Nahtlose Rohre und geschweißte Rohre können jedoch in der erfindungsgemäßen Verwendung als gleichwertig angesehen werden.
Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Oberfläche der Innenseite des Rohres strukturiert ist. Hierdurch lassen sich der Wärmeübergangskoeffizient und damit die Wärmeübertragungsleistung steigern.

Claims

Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs, bestehend aus einer Kupferlegierung, welche die Legierungselemente [in Gew.-%] 0,05–3% Fe, 0,01–0,15% P, und wahlweise 0,05–0,2% Zn 0,02–0,05% Sn und Rest Cu sowie unvermeidliche Verunreinigungen enthält, als Kondensator-, Verdampfer- oder Gaskühlerrohr für einen Betriebsdruck oberhalb des kritischen Punktes einer mit CO₂ arbeitenden Kältemaschine oder Wärmepumpe, wobei das Verhältnis der Wandstärke zum Rohraußendurchmesser im Bereich von 0,025 bis 0,08 liegt und das Rohrmaterial eine Dehngrenze R_p0,2 über 160 N/mm² aufweist.
Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohraußendurchmesser im Bereich von 3–16 mm liegt.
Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrmaterial eine Zugfestigkeit R_m über 300 N/mm² aufweist.
Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauscherrohr aus einem Bandmaterial geformt ist und eine Schweißnaht aufweist.
Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauscherrohr nahtlos ist.
Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Innenseite des Rohres strukturiert ist.