DE102014108463A1

DE102014108463A1 - Wärmeübertragerrohr und Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragerrohrs

Info

Publication number: DE102014108463A1
Application number: DE102014108463.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Cordes
Original assignee: FISCHER EDELSTAHLROHRE GmbH
Current assignee: FISCHER EDELSTAHLROHRE GmbH
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2015-12-17
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: DE102014108463B4

Abstract

Beschrieben und dargestellt sind ein Wärmeübertragerrohr (1) zur Anordnung in einem Wärmeübertrager, mit einer einen Strömungskanal (2) bildenden Rohrwand (3), wobei in der Rohrwand (3) im Verlauf des Strömungskanals (2) eine Mehrzahl von in den Strömungskanal (2) ragenden Wirbelelementen (4) angeordnet ist, und wobei die Wirbelelemente (4) durch eine Umformung der Rohrwand (3) gebildet sind sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragerrohrs (1). Ein Wärmeübertragerrohr (1), bei dem die Leistung bei zumindest gleichem Herstellungsaufwand gesteigert wird, und bei dem gleichzeitig das Risiko von Leckagen reduziert ist, wird dadurch realisiert, dass mindestens ein Wirbelelement (4) mindestens eine lokale Auswölbung (6) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragerrohr zur Anordnung in einem Wärmeübertrager, mit einer einen Strömungskanal bildenden Rohrwand, wobei in der Rohrwand im Verlauf des Strömungskanals eine Mehrzahl von in den Strömungskanal ragenden Wirbelelementen angeordnet ist, und wobei die Wirbelelemente durch eine Umformung der Rohrwand gebildet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Wärmeübertragerrohrs.
Wärmeübertrager, insbesondere zum Kühlen von Abgasströmen, sind im Stand der Technik in einer Vielzahl von Ausgestaltungen bekannt. Die im Wärmeübertrager angeordneten Wärmeübertragerrohre sind dabei häufig als Flachrohre mit rechteckigen Querschnitt oder Flachrohre mit zwei gegenüberliegenden, parallelen Rohrwandbereichen und zwei Rohrwandbereichen mit Radien ausgebildet. Die Wärmeübertragerrohre werden zur Herstellung eines Wärmeübertragers zu einem oder zu mehreren Bündeln in einer Mehrzahl zusammengefasst, beispielsweise so dass die Wärmeübertragerrohre in ihren Strömungskanälen von einem Abgas durchströmt und von einem Kühlmedium umströmt werden können.
Insbesondere um dabei den Wärmeübergang zu verbessern, sind im Verlauf des Wärmeübertragerrohres eine Mehrzahl von in den Strömungskanal ragenden Wirbelelementen angeordnet, die in dem im Strömungskanal strömenden Medium Wirbel erzeugen. Diese Wirbelelemente sind vorzugsweise zumindest in die sich gegenüberliegenden, im Wesentlichen parallelen Rohrwandbereiche eingebracht und ragen in den Strömungskanal hinein.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt, eine Mehrzahl von Wirbelelementen anzuordnen und aufeinander auszurichten, um ein optimales Wirbelergebnis im Strömungskanal und damit eine optimale Wärmeübertragung zu erzielen. Die Wirbelelemente sind dabei beispielsweise in Gruppen angeordnet, die sich auf den gegenüberliegenden Rohrwandbereichen versetzt ergänzen. Die Form eines Wirbelelements ist üblicherweise im Wesentlichen länglich, so dass die Längserstreckung des Wirbelelements größer als die Breite des Wirbelelements ist.
Das Einbringen der Wirbelelemente dient insbesondere der Leistungssteigerung des Wärmeübertragers, wobei bei der Gestaltung eines Wärmeübertragerrohrs stets versucht wird, einen optimierten Wärmeübergang bei gleichzeitig geringem Druckverlust zu erreichen. Die Form und Anordnung der Wirbelelemente hat dabei einen wesentlichen Einfluss auf beide Faktoren. Die Wirbelelemente sind bevorzugt durch eine jeweils lokale Umformung des Materials der Rohrwand in Richtung des Strömungskanals ausgebildet. Bei der Umformung der Rohrwand zur Ausbildung eines Wirbelelements wird das Material der Rohrwand gestreckt, was im Bereich des jeweiligen Wirbelelements mit einer Reduzierung der Rohrwandstärke einhergeht. Ein zu intensives Umformen im Bereich der Wirbelelemente kann dabei zu einem Einreißen der Rohrwand und damit zu ungewünschten Leckagen führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeübertragerrohr und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, bei dem die Leistung bei zumindest gleichem Herstellungsaufwand gesteigert wird, und bei dem gleichzeitig das Risiko von Leckagen reduziert ist.
Die vorgenannte Aufgabe ist bei einem gattungsgemäßen Wärmeübertragerrohr dadurch gelöst, dass mindestens ein Wirbelelement mindestens eine lokale Auswölbung aufweist. Das Wirbelelement ist folglich durch eine lokal begrenzte Verformung im Bereich des Wirbelelements in Richtung des Strömungskanals vertieft. Diese zusätzliche Vertiefung besteht gegenüber der eigentlichen Grundform des Wirbelelements. Das Wirbelelement hat eine Grundform, die beispielsweise der Form von bekannten, in eine Rohrwand eingebrachten Wirbelelementen entspricht. Aufgrund seiner Herstellung – lokales Verformen der Rohrwand in Richtung des Strömungskanals – weist das Wirbelelement folglich in seiner Kontur in allen Erstreckungsrichtungen einen Auslaufradius auf. Die Kontur in einer beliebigen – gedachten – Schnittebene des Wirbelelements weist zu Beginn und am Ende einen Auslaufradius auf, durch den der Übergang in die – ebene – Rohrwand realisiert wird. Zwischen den Auslaufradien erstreckt sich die Kontur der Grundform, die beispielsweise in einer oder in zwei Erstreckungsrichtungen im Wesentlichen konvex ist oder sich im Bodenbereich parallel zur Außenfläche der Rohrwand erstreckt.
Die Auswölbung wird vorzugsweise durch Umformung lediglich der Bereiche des Wirbelelements erzeugt, in denen nach dem Formen der Grundform eine noch ausreichende Materialstärke vorhanden ist. Das Material der Rohrwand wird folglich zur Bildung der Auswölbung lediglich in Bereichen mit ausreichender Wandstärke weiter gestreckt. Dabei ist beispielsweise eine Mindestwandstärke von 0,2 mm nach Abschluss der sämtlicher Umformungen vorgesehen. Aus der lokalen Umformung des Wirbelelements resultiert somit die Auswölbung mit der bei gleichem Materialeinsatz vorteilhaft eine größere Höhe des Wirbelelements im Vergleich zu bekannten Wirbelelementen erreicht werden kann, ohne dabei das Risiko für Leckagen zu erhöhen. Die "Höhe" oder die "Tiefe" des Wirbelelements soll dabei stets die Differenz zwischen der ursprünglichen Außenfläche der Rohrwand und dem Boden des Wirbelelements an der tiefsten Stelle, hier der Auswölbung, sein.
Die Auswölbung ist in der Kontur des Wirbelelements in mindestens einer Erstreckungsrichtung, vorzugsweise mindestens in der Längsrichtung des Wirbelelements, als solche, also als abgesetzter Bereich, erkennbar. Die Auswölbung ist aufgrund ihrer Mehrdimensionalität grundsätzlich auch in der Kontur in Querrichtung vorhanden, ist aber in der Kontur in Querrichtung je nach Ausführungsbeispiel nicht als abgesetzter Bereich zu erkennen, da ein gleichmäßiger Übergang aus der Grundform erfolgt. Die Auswölbung ist eine von der Grundform des Wirbelelements in mindestens einer Erstreckungsrichtung erkennbar abgesetzte Vertiefung bzw. eine Vertiefung in der Vertiefung.
Der Konturverlauf eines Wirbelelements mit Auswölbung, beispielsweise entlang einer gedachten, senkrechten Schnittebene, die die Längsmittelachse des Wirbelelements beinhaltet, stellt sich beispielsweise derart dar, dass ausgehend von dem Niveau der ursprünglichen Außenfläche des Wärmeübertragerrohrs zunächst ein in Richtung des Strömungskanals gebogener Bereich zur Bildung der Grundform des Wirbelelements vorgesehen ist. Dieser Bereich bildet einen Auslaufradius der Grundform des Wirbelelements und resultiert aus der Umformung der Rohrwand in Richtung des Strömungskanals. Nachfolgend folgt nach einem Wendepunkt ein Bereich mit stetig abnehmender Steigung der Kontur, der bei einem Verlauf in der Grundform in einem ebenen Bereich oder in einem relativen Maximum einer Wölbung münden würde. Der Beginn der Auswölbung zeichnet sich in der Kontur vorliegend dadurch aus, dass die Steigung der Kontur im Anschluss an den Bereich mit stetig abnehmender Steigung wieder zunimmt, sich nämlich die Kontur zur Bildung der Auswölbung wieder in Richtung des Strömungskanals neigt. In der Mitte der vorzugsweise symmetrischen Auswölbung verläuft die Kontur mit ungekehrtem Steigungsverlauf wieder bis in das Niveau der ursprünglichen Außenfläche des Wärmeübertragerrohrs. Die vorstehende Betrachtung des Konturverlaufs gilt für ein bei dieser Betrachtung im Schnitt nach oben geöffnetes Wirbelelement.
Die Auswölbung stellt eine in Richtung des Strömungskanals gerichtete, zusätzliche Umformung der Grundform des Wirbelelements dar. Die Auswölbung grenzt sich in mindestens einer Erstreckungsrichtung – Längs- oder Querrichtung – des Wirbelelements von der Kontur der Grundform ab. Es hat sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, wenn vorgesehen ist, dass die Auswölbung in zwei Erstreckungsrichtungen in der Kontur des Wirbelelements als solche ist. Die Auswölbung ist folglich beispielsweise sowohl in der Kontur des Wirbelelements in Längsrichtung – in einer gedachten Schnittebene – als auch in mindestens einer Schnittebene in der Kontur des Wirbelelements in Querrichtung als Auswölbung erkennbar, also als eine zusätzlich zur Grundform des Wirbelelements ausgebildete, abgesetzte Erweiterung der Kontur. Der Steigungsverlauf der Kontur von einem Bereich mit geringerer Steigung zu einem Bereich mit größerer Steigung, in dem die Auswölbung beginnt, liegt folglich nicht nur in mindestens einer gedachten Schnittebene in Längsrichtung, sondern auch in mindestens einer gedachten Schnittebene in Querrichtung des Wirbelelements vor. Gemeint ist dabei die Änderung im Steigungsverlauf der Kontur, die aus der zusätzlichen Neigung der Kontur in Richtung des Strömungskanals zur Bildung der Auswölbung resultiert.
Die Wirbelelemente sind auf beliebige Art und Weise in den gegenüberliegenden, parallel zueinander verlaufenden Bereichen der Rohrwand angeordnet, beispielsweise in beliebigen positiven oder negativen Winkeln zueinander, versetzt zueinander oder in bestimmten Anordnungen periodisch wiederholend. Das Wärmeübertragerrohr ist vorzugsweise als Flachrohr mit einem rechteckigen Querschnitt oder als Flachrohr mit zwei parallelen Rohrwandbereichen und zwei gewölbten Rohrwandbereichen ausgebildet.
Das Wirbelelement ist bei grundsätzlicher Betrachtung als Vertiefung in Bezug auf die Rohrwand des Wärmeübertragungsrohrs ausgebildet. Die Auswölbung stellt sozusagen eine Vertiefung in der Vertiefung oder ein Wirbelelement im Wirbelelement dar. So wie das Wirbelelement aus der Rohrwand geformt ist, ist die Auswölbung im begrenzten Bereich des Wirbelelements aus der Rohrwand geformt. Durch das erfindungsgemäße Wärmeübertragerrohr kann in Abhängigkeit von der Anzahl der Wirbelelemente mit Auswölbung überraschenderweise bei gleichem Materialeinsatz eine Leistungssteigerung bei der Wärmeübertragung von bis zu 5% erzielt werden, wobei gleichzeitig das Risiko von Leckagen reduziert ist.
Bei einer Ausgangsrohrwandstärke von 0,38 mm kann beispielsweise im Vergleich zum Stand der Technik eine um 25% größere Höhe – Tiefe – des Wirbelelements von etwa 1,85 mm erreicht werden. Die verbleibende Wandstärke im Bereich der Auswölbung beträgt dann noch etwa 0,2 mm und stellt damit sicher, dass keine Undichtigkeiten im Bereich der Wirbelelemente auftreten. Die Abstreckung des Materials erfolgt dabei durch die Auswölbung nicht mehr punktuell, sondern die Verformung wird gleichmäßig in das Material eingebracht.
Insbesondere ist gemäß einer ersten Ausgestaltung des Wärmeübertragerrohrs vorgesehen, dass jedes Wirbelelement mindestens eine Auswölbung aufweist. Die Tiefe bzw. die Höhe von jedem Wirbelelement ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine zusätzliche Auswölbung in Richtung des Strömungskanals gesteigert, wodurch sich im Betrieb ein vorteilhaftes Strömungsprofil innerhalb des Strömungskanals einstellt und die Leistung bei gleichem Materialeinsatz im Vergleich zu einem Wärmeübertragerrohr mit herkömmlichen Wirbelelementen um etwa 2% gesteigert werden.
Vorzugsweise ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung ferner vorgesehen, dass die Auswölbung in mindestens einer Erstreckungsrichtung im Wesentlichen stufenförmig ist. Bei einer stufenförmigen Auswölbung ist das Wirbelelement folglich mehrstufig ausgebildet, nämlich mit einer ersten Stufe aus der Außenfläche der Rohrwand des Wärmeübertragerrohres auf eine erste Stufe in der Grundform des Wirbelelements und nachfolgend auf eine zweite Stufe zur Auswölbung. Aufgrund der Mehrdimensionalität der Auswölbung ist beispielsweise in Längsrichtung ein stufenförmiger Aufbau oder alternativ eine umlaufende Stufe – in mindestens zwei Erstreckungsrichtungen der Auswölbung – vorgesehen. Beispielsweise ist bei dieser Ausgestaltung die Form des Wirbelelements ähnlich der Form der Auswölbung, lediglich in kleinerer Skalierung, wodurch der Charakter einer Vertiefung in der Vertiefung deutlich hervorgehoben wird. Insbesondere ist bei dieser Ausgestaltung vorgesehen, dass der Grund der Auswölbung, also die tiefste Stelle der Auswölbung, zumindest teilweise parallel zur Außenfläche des Wärmeübertragerrohrs verläuft.
Besonders vorteilhafte Ergebnisse bei der Tiefe der Wirbelelemente mit Auswölbung und damit bei der Leistungssteigerung des Wärmeübertragers lassen sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung dadurch erreichen, dass die Auswölbung in mindestens einer Erstreckungsrichtung im Wesentlichen konvex ausgebildet ist. Der Verlauf der Kontur der Auswölbung, beispielsweise entlang einer gedachten Schnittebene in Längsrichtung, ist folglich mit großen Radien realisiert, so dass sich anstelle einer Stufe ein sehr sanfter Übergang von der Grundform des Wirbelelements zur Auswölbung ergibt. Die Auswölbung ist in Längsrichtung vorzugsweise kontinuierlich gewölbt, also konvex ausgebildet. In Querrichtung ist die Auswölbung in der Kontur beispielsweise zwar vorhanden, allerdings nicht als solche zu erkennen, da übergangsfreier Verlauf der Kontur von der Grundform in die Auswölbung vorliegt. Durch diese Ausgestaltung des Wärmeübertragerrohrs lässt sich eine maximale Leistungssteigerung erzielen.
Eine weitere Ausgestaltung des Wärmeübertragerrohrs sieht vor, dass an einem Wirbelelement mindestens zwei Auswölbungen ausgebildet sind. Durch die Anordnung von zwei Auswölbungen lässt sich eine gleichmäßige Materialverformung weiter optimieren. Die Auswölbungen sind beispielsweise derart angeordnet, dass sie beispielsweise in Längsrichtung des Wirbelelements eine höckerartige Kontur definieren, so dass die Auswölbungen in der Erstreckung in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind. Es ist aber auch vorgesehen, dass zwei Auswölbungen in Querrichtung hintereinander, also in Längsrichtung nebeneinander angeordnet sind.
Die Umformung lässt sich gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Wärmeübertragerrohrs weiter optimieren, indem vorgesehen ist, dass das Wirbelelement bezüglich seiner Längsrichtung spiegelsymmetrisch ausgebildet ist, und dass die Auswölbung zentral in dem Wirbelelement angeordnet ist. Die Auswölbung hat folglich zu den jeweils gegenüberliegenden Seitenbereichen – in Längs- und in Querrichtung – des Wirbelelements einen gleichen Abstand. Das Wirbelelement mit der Auswölbung ist dabei spiegelsymmetrisch zu einer gedachten Ebene, die die Längsachse des Wirbelelements beinhaltet, und die im Wesentlichen orthogonal zur Außenfläche der Rohrwand des Wärmeübertragerrohrs orientiert ist. Bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Grundform eines Wirbelelements, das im Wesentlichen länglich ausgebildet ist, hat sich herausgestellt, dass nach Ausbildung der Grundform zentral im Wirbelelement – im Wesentlichen an dessen Grund – eine noch ausreichende Materialstärke zur Bildung einer Auswölbung vorhanden ist.
Es hat sich zudem als vorteilhaft herausgestellt, wenn gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen ist, dass bei einer Ausgangsrohrwandstärke zwischen 0,25 mm und 0,55 mm, insbesondere 0,35 mm und 0,45 mm, eine Höhe des Wirbelelements in der Auswölbung zwischen 1,60 mm und 2,2 mm, insbesondere 1,60 und 1,90 mm, realisiert ist. Vorzugsweise wird dabei an allen Stellen des Wirbelelements eine Mindestwandstärke von 0,2 mm nicht unterschritten. Die maximale Höhe des Wirbelelements kann dabei lediglich dadurch erreicht werden, dass die Auswölbung aus dem Wirbelelement ausgeformt wird, nämlich lediglich in den Bereichen eine zusätzliche Verformung des Wirbelelements erfolgt, in denen eine ausreichende Wandstärke auch nach Einbringen der Grundform vorhanden ist.
Gemäß einer letzten Ausgestaltung des Wärmeübertragerrohrs hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn sich die Auswölbung auf einer Länge zwischen 30% und 70% der Länge des Wirbelelements und/oder sich auf einer Breite zwischen 50%, insbesondere 70%, und 95% der Breite des Wirbelelements erstreckt. Die Breite und die Länge des Wirbelelements ist dabei die Erstreckung in Längs- oder Querrichtung am jeweiligen Beginn der Auslaufradien, also am Beginn der Verformung aus der ursprünglichen Außenfläche der Rohrwand in Richtung des Strömungskanals. Durch eine derartige Länge und/oder Breite der Auswölbungen lässt sich insbesondere die gewünschte Leistungsoptimierung sicherstellen. Zudem ist bei einer derartigen Größe der Auswölbung sichergestellt, dass Undichtigkeiten zuverlässig vermieden werden.
Ein erfindungsgemäßes Wärmeübertragerrohr eignet sich insbesondere zur Erstellung eines Wärmeübertragers zur Abgaskühlung, bei dem eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerrohre zu einem Wärmeübertrager gebündelt werden.
Die eingangs genannte Aufgabe ist ferner mit einem Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragerrohrs gelöst. Das Verfahren sieht zunächst vor, dass eine Mehrzahl von Wirbelelementen in einer vorbestimmten Anordnung in ein Blech eingebracht werden, wobei das Blech anschließend zu einem Wärmeübertragerrohr mit einem Strömungskanal geformt und mit mindestens einer Längsnaht verschweißt wird, so dass sich die Wirbelelemente in den Strömungskanal erstrecken.
Bei diesem Verfahren werden die Wirbelelemente mit mindestens einer lokalen Auswölbung dadurch erzeugt, dass mit einem Grundformstempel zunächst eine Grundform des Wirbelelements aus der Rohrwand geformt wird, insbesondere um ein maximales Volumen des Wirbelelements auszuformen. Nachfolgend wird mit einem Wölbungsstempel mindestens eine lokale Auswölbung in dem Wirbelelement geformt. Die Auswölbung stellt somit sowohl in Längs- als auch in Querrichtung eine zusätzliche Vertiefung dar, wobei sie vorzugsweise lediglich in der Kontur in einer gedachten Schnittebene in Längsrichtung als Steigungswechsel erkennbar ist. In diesem Fall ist die Auswölbung in der Kontur in Querrichtung beispielsweise nicht durch einen Wechsel der Steigung der Kontur abgegrenzt.
Das Verfahren sieht vor, dass zunächst im Wesentlichen die Grundform des Wirbelelements in der Rohrwand gebildet wird, wobei nachfolgend die Rohrwand im Bereich des Wirbelelements lokal durch den Wölbungsstempel verformt wird, so dass in dem Wirbelelement eine Auswölbung geformt wird.
Durch ein derartiges Verfahren wird gewährleistet, dass das Material des Wärmeübertragerrohrs, insbesondere die Rohrwand, gleichmäßig gestreckt wird. So reduziert sich die Wandstärke im Bereich der Auswölbung von ursprünglichen 0,38 mm beispielsweise auf etwa 0,2 mm. Das Wärmeübertragerrohr ist vorzugsweise als Flachrohr mit einem rechteckigen Querschnitt oder als Flachrohr mit zwei parallelen Rohrwandbereichen und zwei gewölbten Rohrwandbereichen ausgebildet.
Um insbesondere eine gleichmäßigere Streckung des Materials der Rohrwand beim Einbringen des Wirbelelements zusammen mit der Auswölbung zu gewährleisten, ist gemäß einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass die Grundform des Wirbelelements durch aufeinanderfolgen des Einwirken von mindestens zwei unterschiedlichen Grundformstempeln geformt wird, die die Grundform in die Rohrwand einbringen, und dass abschließend die Auswölbung durch das Einwirken des Wölbungsstempels im Bereich des Wirbelelements geformt wird. Das Einbringen eines Wirbelelements mit Auswölbung erfolgt somit dreistufig. Besonders bevorzugt ist es allerdings, wenn die Grundform des Wirbelelements durch aufeinanderfolgen des Einwirken von mindestens drei unterschiedlichen Grundformstempeln geformt wird, die die Grundform in die Rohrwand einbringen, und dass abschließend die Auswölbung durch das Einwirken des Wölbungsstempels im Bereich des Wirbelelements geformt wird. Das Einbringen eines Wirbelelements mit Auswölbung erfolgt folglich vierstufig. Der Wölbungsstempel weist eine derartige Kontur auf, dass eine Auswölbung in die Grundform einbringbar ist. Vorzugsweise ist der Wölbungsstempel derart ausgebildet, dass die Auswölbung im Konturverlauf des Wirbelelements in Längsrichtung als solche erkennbar ist.
Im Einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten das Wärmeübertragerrohr und das Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen auf die den Patentansprüchen 1 und 10 nachgeordneten Patentansprüche sowie auf die nachfolgende Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragerrohrs in perspektivischer Ansicht,
2 ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragerrohrs in geschnittener Ansicht,
3 ein Ausführungsbeispiel eines Wirbelelements mit Auswölbung in perspektivischer Ansicht,
4a ein Ausführungsbeispiel einer Kontur eines Wirbelelements im Längsschnitt,
4b das Ausführungsbeispiel einer Kontur eines Wirbelelements im Längsschnitt gemäß 4a,
5a ein Ausführungsbeispiel einer Kontur eines Wirbelelements in Längsschnitt,
5b das Ausführungsbeispiel einer Kontur eines Wirbelelements in Längsschnitt gemäß 5a,
6 ein Ausführungsbeispiel eines Wölbungsstempels, und
7 das Ausführungsbeispiel eines Wölbungsstempels gemäß 6 in Seitenansicht.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragerrohrs 1 zur Anordnung in einem – nicht dargestellten – Wärmeübertrager. Das Wärmeübertragerrohr 1 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Ein Strömungskanal 2 wird von einer Rohrwand 3 gebildet, wobei die Rohrwand 3 zwei gegenüberliegend angeordnete, parallel zueinander verlaufende, breite Rohrwandbereiche 3a und 3b sowie zwei gegenüberliegend und parallel zueinander angeordnete Rohrwandbereiche 3c und 3d umfasst. Im Verlauf des Wärmeübertragerrohrs 1 sind eine Mehrzahl von in den Strömungskanal 2 ragenden Wirbelelementen 4 angeordnet, die durch eine Umformung der Rohrwand 3 ausgebildet sind. Die Wirbelelemente 4 sind sowohl in dem Rohrwandbereich 3a als auch in dem gegenüberliegenden Rohrwandbereich 3b vorgesehen. Die Wirbelelemente 4 sind in sich periodisch wiederholenden Mustern entlang der Längserstreckung des Wärmeübertragerrohrs 1 angeordnet. Die Anordnung ist derart gewählt, dass sie bezüglich der Leistung des Wärmeübertragerrohrs 1 optimiert ist. Zwischen den Wirbelelementen 4 sind nach außen ragende Vorsprünge 5, die im Wesentlichen dazu dienen, in dem im Wärmeübertrager angeordneten Zustand, einen definierten Abstand zum benachbarten Wärmeübertragerrohr 1 zu gewährleisten.
In jedem der Wirbelelemente 4 ist eine lokale Auswölbung 6 vorgesehen, die in Richtung des Strömungskanals 2 ausgebildet und zentral im Wirbelelement 4 angeordnet ist.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragerrohrs 1 in geschnittener Ansicht, nämlich aus Sicht des Strömungskanals 2. Die in der Rohrwand 3, nämlich im Rohrwandbereich 3b, vorgesehenen Wirbelelemente 4 weisen eine in Richtung des Strömungskanals 2 orientierte, lokale Auswölbung 6 auf, die sich deutlich von der Grundform der Wirbelelemente 4 abhebt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Auswölbungen 6 im Wesentlichen stufenförmig ausgebildet, sodass die Wirbelelemente 4 mehrstufig ausgebildet sind. An allen Wirbelelementen 4 ist eine Auswölbung 6 vorgesehen. Gemäß 2 sind die Auswölbungen 4 nach oben gerichtet, folglich in Richtung des aufgeschnittenen Strömungskanals 2. Die Auswölbungen 6 sind durch lokale Verformung der Rohrwand 3 im Bereich des Wirbelelements 4 gebildete, stufenförmig abgesetzte Vertiefungen. Zentral zwischen den Wirbelelementen 4 ist der Vorsprung 5 vorgesehen, der bei dieser Perspektive nach außen – gemäß 2 nach unten – gewölbt ist.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragerrohrs 1 in perspektivischer Ansicht, insbesondere nämlich eine vergrößerte Ansicht eines Wirbelelements 4. Das Wirbelelement 4 weist eine lokale Auswölbung 6 auf, die bei diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen konvex ist und sich somit in Längsrichtung von der Grundform des Wirbelelements 4 abhebt. Die Auswölbung 6 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in der Kontur des Wirbelelements lediglich in einer Erstreckungsrichtung, nämlich in Längsrichtung, durch einen Steigungswechsel in der Kontur zu erkennen. Im Hintergrund sind zwei weitere Wirbelelemente 4 mit Auswölbungen 6 dargestellt.
4a und 4b zeigen einen Schnitt – entlang einer gedachten Schnittebene in Längsrichtung – durch ein Ausführungsbeispiel eines Wirbelelements 4, nämlich ein Wirbelelement 4, das eine Auswölbung 6 aufweist, die im Wesentlichen stufenförmig ausgebildet ist. In 4b ist zur Verdeutlichung der Konturverlauf der Grundform des Wirbelelements 4 in Längsrichtung gestrichelt eingezeichnet. Aufgrund der einfacheren Darstellbarkeit ist lediglich der entlang einer Ebene in Längsrichtung geschnittene Konturverlauf eines Wirbelelements 4 dargestellt.
Die Kontur des Wirbelelements 4 in Längsrichtung stellt sich derart dar, dass ausgehend von dem Niveau der Außenfläche 10 der Rohrwand 3 zunächst ein Bereich 7 mit zunehmender – hier negativer – Steigung vorgesehen ist – Auslaufradius. Anschließend folgt ein Bereich 8 mit abnehmender Steigung, wobei die Steigung in einem Bereich 9, in dem die Auswölbung 6 beginnt und sich die Kontur wieder in Richtung Strömungskanal neigt, wieder zunimmt. Nachfolgend erstreckt sich die Auswölbung 6, wobei sich der Steigungsverlauf ab der Mitte der Auswölbung 6 in umgekehrter Weise wieder bis zum Niveau der Außenfläche 10 der Rohrwand 3 ergibt.
5a und 5b zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Wirbelelements 4 mit einer Auswölbung 6, die Wesentlichen konvex ausgebildet ist. Aufgrund der einfacheren Darstellbarkeit ist lediglich der entlang einer Ebene in Längsrichtung geschnittene Konturverlauf eines Wirbelelements 4 dargestellt. Insbesondere die Radien im Bereich 9 sind groß gewählt, so dass sich insgesamt ein sanfter Übergang von der Grundform des Wirbelelements 4 in die Auswölbung 6 ergibt, die im Wesentlichen konvex ausgebildet ist. Der gedachte Verlauf der Kontur der Grundform in Längsrichtung ist in 5b gestrichelt veranschaulicht. Ab der Mitte der Auswölbung verläuft die Kontur in umgekehrter Reihenfolge der Steigungen bis auf das Niveau der Außenfläche 10 der Rohrwand 3. Die maximale Höhe des Wirbelelements 4 wird im Bereich der Mitte der Auswölbung 6 erreicht, wobei mit der Höhe die Höhendifferenz zwischen der Auswölbung 6 und der Außenfläche 10 der Rohrwand 3 des Wärmeübertragerrohrs 1 gemeint ist. Die Auswölbung 6 ist zentral im Wirbelelement 4 angeordnet.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Wölbungsstempels 20, mit dem bei einem Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragerrohrs 1 eine Auswölbung 6 formbar ist. Die Außenkontur des Wölbungsstempels 20 entspricht folglich der Innenkontur des Wirbelelements 4, beispielsweise gemäß den 3, 5a und 5b, nach Fertigstellung. Die Kontur des Wölbungsstempels 20 ist im mittleren Bereich etwa auf einer Länge, die 60% der Länge des Wirbelelements 4 entspricht, als Negativ einer Auswölbung 6 (vgl. 5a, 5b) ausgebildet und im Konturverlauf deutlich als solche zu erkennen.
7 zeigt das Ausführungsbeispiel eines Wölbungsstempels 20 gemäß 6 in Seitenansicht. 7 ist zu entnehmen, dass die Kontur des Wölbungsstempels 20 im Endbereich spitz zulaufend ist, so dass beim Einbringen der Auswölbung 6 kein oder nur ein sehr geringer Einfluss auf die Grundform des Wirbelelements 4 genommen wird. 7 ist ferner zu entnehmen, dass die Auswölbung 6 – bei der hier der hier die Kontur des Wölbungsstempels 20 das Negativ bildet – bei diesem Ausführungsbeispiel in der Kontur als solche nicht an einem Steigungswechsel erkennbar ist, sondern in Querrichtung ein gleichmäßiger Übergang aus der Grundform erfolgt.

Claims

Wärmeübertragerrohr (1) zur Anordnung in einem Wärmeübertrager, mit einer einen Strömungskanal (2) bildenden Rohrwand (3), wobei in der Rohrwand (3) im Verlauf des Strömungskanals (2) eine Mehrzahl von in den Strömungskanal (2) ragenden Wirbelelementen (4) angeordnet ist, und wobei die Wirbelelemente (4) durch eine Umformung der Rohrwand (3) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wirbelelement (4) mindestens eine lokale Auswölbung (6) aufweist.
Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das jedes Wirbelelement (4) mindestens eine Auswölbung (6) aufweist.
Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswölbung (6) in mindestens einer Erstreckungsrichtung im Wesentlichen stufenförmig ausgebildet ist.
Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswölbung (6) in mindestens einer Erstreckungsrichtung im Wesentlichen konvex ausgebildet ist.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Auswölbungen (6) am Wirbelelement (4) ausgebildet sind.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelelement (4) in bezüglich seiner Längsrichtung spiegelsymmetrisch ausgebildet ist, und dass die Auswölbung (6) zentral in dem Wirbelelement (4) angeordnet ist.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausgangsrohrwandstärke zwischen 0,25 mm und 0,55 mm eine Höhe des Wirbelelements (4) in der Auswölbung (6) zwischen 1,60 mm und 2,2 mm realisiert ist.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auswölbung (6) auf einer Länge zwischen 30% und 70% der Länge des Wirbelelements (4) und/oder sich auch einer Breite zwischen 50% und 95% der Breite des Wirbelelements (4) erstreckt.
Wärmeübertrager mit einer Mehrzahl von Wärmeübertragerrohren (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragerrohrs (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Mehrzahl von Wirbelelementen (4) in einer vorbestimmten Anordnung in ein Blech eingebracht wird, und wobei das Blech anschließend zu einem Wärmeübertragerrohr (1) mit einem Strömungskanal (2) geformt und mit mindestens einer Längsnaht verschweißt wird, so dass sich die Wirbelelemente (4) in den Strömungskanal (2) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirbelelement (4) mit mindestens einer lokalen Auswölbung (6) dadurch erzeugt wird, dass mit mindestens einem ersten Grundformstempel zunächst eine Grundform des Wirbelelements (4) aus der Rohrwand (3) geformt wird, und dass nachfolgend mit einem Wölbungsstempel (20) mindestens eine lokale Auswölbung (6) in das Wirbelelement (4) geformt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundform des Wirbelelements (4) durch aufeinanderfolgendes Einwirken von mindestens zwei, insbesondere drei, unterschiedlichen Grundformstempeln geformt wird, und dass die Auswölbung (6) durch abschließendes Einwirken des Wölbungsstempels (20) geformt wird.