DE102018004701A1 - Metallic heat exchanger tube - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauscherrohr (1), umfassend eine Rohrwand (2) und auf der Rohraußenseite (21) umlaufende Rippen (3), welche einen Rippenfuß (31), Rippenflanken (32) und eine Rippenspitze (33) haben sowie eine zwischen den Rippen gebildete Primärnut (34), wobei der Rippenfuß (31) im Wesentlichen radial von der Rohrwand (2) absteht, und die Rippenflanken (32) entlang der Primärnut (34) mit zusätzlichen voneinander beabstandeten Strukturelementen (4) versehen sind, welche als aus Material der Rippenflanke (32) geformte Werkstoffvorsprünge (4) ausgebildet sind, die seitlich an der Rippenflanke (32) angeordnet sind. Die Werkstoffvorsprünge (4) sind derart verformt, dass sie die Rohrwand (2) im Bereich der Primärnut (34) berühren, so dass lokale Kavitäten (5) ausgebildet sind. Die Kavitäten (5) weisen in Umlaufrichtung (U) der Rippen Öffnungen (51, 52) auf.The invention relates to a heat exchanger tube (1), comprising a tube wall (2) and fins (3) which run around the outside of the tube (21) and which have a fin base (31), fin flanks (32) and a fin tip (33) and one between the Ribs formed primary groove (34), the rib foot (31) projecting essentially radially from the tube wall (2), and the rib flanks (32) along the primary groove (34) with additional spaced apart structural elements (4), which are provided as Material of the rib flank (32) shaped material projections (4) are formed, which are arranged laterally on the rib flank (32). The material projections (4) are deformed such that they touch the tube wall (2) in the area of the primary groove (34), so that local cavities (5) are formed. The cavities (5) have openings (51, 52) in the circumferential direction (U) of the ribs.
Description
Die Erfindung betrifft ein metallisches Wärmeaustauscherrohr mit auf der Rohraußenseite umlaufenden Rippen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a metallic heat exchanger tube with circumferential ribs on the outside of the tube according to the preamble of
Derartige metallische Wärmeaustauscherrohre dienen insbesondere zur Verdampfung von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohraußenseite.Such metallic heat exchanger tubes are used in particular for the evaporation of liquids from pure substances or mixtures on the outside of the tube.
Verdampfung tritt in vielen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik sowie in der Prozess- und Energietechnik auf. Häufig werden Rohrbündelwärmeaustauscher verwendet, in denen Flüssigkeiten von Reinstoffen oder Mischungen auf der Rohraußenseite verdampfen und dabei auf der Rohrinnenseite Sole oder Wasser abkühlen. Solche Apparate werden als überflutete Verdampfer bezeichnet.Evaporation occurs in many areas of refrigeration and air conditioning technology as well as in process and energy technology. Frequently, shell-and-tube heat exchangers are used, in which liquids from pure substances or mixtures on the outside of the pipe evaporate, cooling brine or water on the inside of the pipe. Such apparatuses are referred to as flooded evaporators.
Durch die Intensivierung des Wärmeübergangs auf der Rohraußen- bzw. der Rohrinnenseite lässt sich die Größe der Verdampfer stark reduzieren. Hierdurch nehmen die Herstellungskosten solcher Apparate ab. Außerdem sinkt die notwendige Füllmenge an Kältemittel, die bei den heute überwiegend verwendeten, chlorfreien Sicherheitskältemitteln einen nicht zu vernachlässigenden Kostenanteil an den gesamten Anlagekosten ausmachen kann. Bei toxischen oder brennbaren Kältemitteln lässt sich durch eine Reduktion der Füllmenge ferner das Gefahrenpotenzial herabsetzen. Die heute üblichen Hochleistungsrohre sind bereits etwa um den Faktor vier leistungsfähiger als glatte Rohre gleichen Durchmessers.By intensifying the heat transfer on the outside of the pipe or the inside of the pipe, the size of the evaporator can be greatly reduced. As a result, the production costs of such apparatuses decrease. In addition, the necessary filling quantity of refrigerant, which can account for a not inconsiderable share of the total investment costs in today's predominantly used chlorine-free safety refrigerants, is decreasing. In the case of toxic or flammable refrigerants, the risk potential can also be reduced by reducing the filling quantity. The standard high-performance pipes are about four times more efficient than smooth pipes of the same diameter.
Es ist Stand der Technik, derartig leistungsfähige Rohre auf der Basis von integral gewalzten Rippenrohren herzustellen. Unter integral gewalzten Rippenrohren werden berippte Rohre verstanden, bei denen die Rippen aus dem Wandmaterial eines Glattrohres geformt wurden. Es sind hierbei verschiedene Verfahren bekannt, mit denen die zwischen benachbarten Rippen befindlichen Kanäle derart verschlossen werden, dass Verbindungen zwischen Kanal und Umgebung in Form von Poren oder Schlitzen bleiben. Insbesondere werden solche im Wesentlichen geschlossenen Kanäle durch Umbiegen oder Umlegen der Rippen (
Die leistungsstärksten, kommerziell erhältlichen Rippenrohre für überflutete Verdampfer besitzen auf der Rohraußenseite eine Rippenstruktur mit einer Rippendichte von 55 bis 60 Rippen pro Zoll (
Weiterhin ist bekannt, dass leistungsgesteigerte Verdampfungsstrukturen bei gleichbleibender Rippendichte auf der Rohraußenseite erzeugt werden können, indem man zusätzliche Strukturelemente im Bereich des Nutengrundes zwischen den Rippen einbringt. Da im Bereich des Nutengrundes die Temperatur der Rippe höher ist als im Bereich der Rippenspitze, sind Strukturelemente zur Intensivierung der Blasenbildung in diesem Bereich besonders wirkungsvoll. Beispiele hierfür sind in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leistungsgesteigertes Wärmeaustauscherrohr zur Verdampfung von Flüssigkeiten auf der Rohraußenseite anzugeben.The invention has for its object to provide a performance-enhanced heat exchanger tube for the evaporation of liquids on the outside of the tube.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.The invention is represented by the features of
Die Erfindung schließt ein metallisches Wärmeaustauscherrohr ein, umfassend eine Rohrwand und auf der Rohraußenseite umlaufende Rippen, welche einen Rippenfuß, Rippenflanken und eine Rippenspitze haben sowie eine zwischen den Rippen gebildete Primärnut, wobei der Rippenfuß im Wesentlichen radial von der Rohrwand absteht, und die Rippenflanken entlang der Primärnut mit zusätzlichen voneinander beabstandeten Strukturelementen versehen sind, welche als aus Material der Rippenflanke geformte Werkstoffvorsprünge ausgebildet sind, die seitlich an der Rippenflanke angeordnet sind. Die Werkstoffvorsprünge sind derart verformt, dass sie die Rohrwand im Bereich der Primärnut berühren, so dass lokale Kavitäten ausgebildet sind. Die Kavitäten weisen in Umlaufrichtung der Rippen Öffnungen auf.The invention includes a metallic heat exchanger tube, comprising a tube wall and ribs surrounding the tube outside, which have a rib base, rib flanks and a rib tip and a primary groove formed between the ribs, the rib base projecting essentially radially from the tube wall, and the rib flanks along the primary groove are provided with additional structural elements spaced apart from one another, which are designed as material projections formed from the material of the rib flank and arranged laterally on the rib flank. The material projections are deformed in such a way that they touch the tube wall in the area of the primary groove, so that local cavities are formed. The cavities have openings in the circumferential direction of the ribs.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur Erhöhung des Wärmeüberganges bei der Verdampfung der Vorgang des Blasensiedens intensiviert wird. Die Bildung von Blasen beginnt an Keimstellen. Diese Keimstellen sind meist kleine Gas- oder Dampfeinschlüsse. Wenn die anwachsende Blase eine bestimmte Größe erreicht hat, löst sie sich von der Oberfläche ab. Würde im Zuge der Blasenablösung unerwünscht die Keimstelle mit Flüssigkeit geflutet, dann wird die Keimstelle deaktiviert. Die Oberfläche muss also derart gestaltet werden, dass beim Ablösen der Blase eine kleine Blase zurück bleibt, die dann als Keimstelle für einen neuen Zyklus der Blasenbildung dient. Dies wird erreicht, indem man auf der Oberfläche lokale Kavitäten ausbildet, die in Umlaufrichtung der Rippen Öffnungen aufweisen. Durch die Öffnung erfolgt der Austausch von Flüssigkeit und Dampf.The invention is based on the consideration that to increase the heat transfer during evaporation of the process of bubbling is intensified. The formation of bubbles begins at germinal sites. These germinal sites are usually small gas or steam inclusions. When the growing bubble reaches a certain size, it detaches from the surface. If, in the course of bladder detachment, the germinal site is undesirably flooded with liquid, then the germinal site is deactivated. The surface must therefore be designed in such a way that when the bubble is detached, a small bubble remains, which then serves as a germinal point for a new bubble formation cycle. This is achieved by forming local cavities on the surface which have openings in the direction of rotation of the ribs. Through the opening of the exchange of liquid and steam.
Eine Kavität wird aus Material der Rippenflanke gebildet, welches ähnlich einem Span geformt als Werkstoffvorsprung die Rohrwand im Bereich der Primärnut berührt. Im Sonderfall handelt es sich um die stirnseitige Kante, also den von der Rippenflanke im Krümmungsverlauf entferntesten Bereich eines Werkstoffvorsprungs. Mit anderen Worten: Die verformten Werkstoffvorsprünge weisen vorderseitig quasi eine Spitze auf, deren stirnseitigen Kanten oder auch die durch einen denkbaren Einrollvorgang im Herstellungsprozess an diese stirnseitigen Kanten unmittelbar anschließenden Flächenanteile mit der Rohrwand im Bereich der Primärnut in Berührung kommen können. Eine Kavität wird folglich aus dem Werkstoffvorsprung und dem radial innerhalb des Werkstoffvorsprungs verbleibenden Rippenfuß und dem an den Rippenfuß anschließenden Bereich der Primärnut bis zum Kontakt des Werkstoffvorsprungs ausgeformt. Die Werkstoffvorsprünge sind besonders bevorzugt beidseitig an den Rippen angeordnet.A cavity is formed of material of the rib flank, which, similar to a chip formed as a material projection contacts the pipe wall in the primary groove. In a special case, this is the end edge, ie the region of a material projection which is furthest away from the rib flank in the course of curvature. In other words, the deformed material projections have on the front side, as it were, a tip whose front edges or the surface portions directly adjoining these front edges by a conceivable curling operation in the production process can come into contact with the pipe wall in the area of the primary groove. A cavity is consequently formed from the material projection and the rib foot remaining radially inside the material projection and the region of the primary groove adjoining the rib foot until the contact of the material projection. The material projections are particularly preferably arranged on both sides of the ribs.
Die Länge der Bereiche in Umlaufrichtung zwischen zwei Kavitäten können zwischen 0,2 mm und 0,5 mm betragen. Hierdurch wird eine optimale Abstimmung der aufeinanderfolgenden Kavitäten und dazwischen liegenden Bereiche erzielt.The length of the areas in the direction of rotation between two cavities can be between 0.2 mm and 0.5 mm. As a result, an optimal coordination of the successive cavities and intermediate areas is achieved.
Zudem können die Rippenspitzen derart verformt sein, dass sie die Primärnuten in Radialrichtung überdecken und teilweise verschließen und so einen helixförmig umlaufenden, teilweise abgeschlossenen Hohlraum bilden. Die Rippenspitzen können dabei beispielsweise einen im Wesentlichen T-förmigen Querschnitt mit porenartigen Ausnehmungen aufweisen, durch welche die Dampfblasen entweichen können.In addition, the rib tips may be deformed such that they cover the primary grooves in the radial direction and partially close, thus forming a helically encircling, partially enclosed cavity. The rib tips may have, for example, a substantially T-shaped cross section with pore-like recesses through which the vapor bubbles can escape.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Wirkung einer Kavität auf die Bildung von Blasen dann besonders groß ist, wenn der Austausch von Flüssigkeit und Dampf gezielt gesteuert und die Flutung der Blasenkeimstelle in der Kavität verhindert wird. Die Lage der Kavitäten in der Nähe des primären Nutengrundes ist für den Verdampfungsprozess besonders günstig, da am Nutengrund die Übertemperatur am größten ist und deshalb dort die höchste treibende Temperaturdifferenz für die Blasenbildung zur Verfügung steht.The particular advantage of the invention is that the effect of a cavity on the formation of bubbles is particularly great when the exchange of liquid and steam is controlled in a controlled manner and the flooding of the bubble nucleation point in the cavity is prevented. The location of the cavities in the vicinity of the primary groove bottom is particularly favorable for the evaporation process, since the excess temperature is greatest at the bottom of the groove and therefore the highest driving temperature difference is available there for bubble formation.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Kavitäten einen zylinderartigen Hohlraum ausbilden. Die Werkstoffvorsprünge können sich mit zunehmender Entfernung von der Rippenflanke zunehmend verformen, so dass sie sich quasi bis zum Kontakt mit der Rohrwand einrollen und sich dadurch eine zylinderförmige Röhre ausbildet. Ein zylinderartiger Hohlraum hat in Umlaufrichtung der Rippen zwei im Wesentlichen gleichgeartete Öffnungen, über die ein Blasenkeim den Verdampfungsprozess eines Fluids unterstützt.In a preferred embodiment of the invention, the cavities can form a cylinder-like cavity. The material projections can deform increasingly with increasing distance from the rib edge, so that they curl up virtually to the contact with the tube wall and thereby forms a cylindrical tube. A cylinder-like cavity has in the direction of rotation of the ribs two substantially similar openings through which a bubble germ supports the evaporation process of a fluid.
Vorteilhafterweise kann die maximale lichte Weite einer Kavität maximal die Hälfte der Längserstreckung der Kavität betragen. Hierdurch werden längliche Hohlräume ausgebildet, die besonders effizient Blasenkeimstellen darstellen und zu einer Erhöhung des Wärmeüberganges bei der Verdampfung beitragen. Wenn die aus der längsgestreckten Kavität anwachsende Blase eine bestimmte Größe erreicht hat, löst sie sich von der Oberfläche ab. Nach der Ablösung wird die längliche Röhre als Keimstelle nur zu einem gewissen Teil mit Flüssigkeit geflutet, wodurch die Keimstelle ständig aktiviert bleibt. Die Dimension des Hohlraums wird folglich derart gestaltet, dass beim Ablösen einer Blase eine kleine Blase zurück bleibt, die dann als Keimstelle für einen neuen Zyklus der Blasenbildung dient.Advantageously, the maximum clear width of a cavity can be at most half the longitudinal extent of the cavity. As a result, elongated cavities are formed, which represent particularly efficient bubble nucleation sites and contribute to an increase in the heat transfer during evaporation. As the bubble growing out of the elongated cavity reaches a certain size, it detaches from the surface. After detachment, the elongated tube is only partially flooded with liquid as a germination site, whereby the germinal site remains constantly activated. The dimension of the cavity is thus designed so that upon detachment of a bubble, a small bubble remains, which then serves as a nucleation site for a new cycle of bubble formation.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung können an den Rippenflanken zwischen den Kavitäten Fluidleitstrukturen angeordnet sein. Die im Verdampfungsprozess gebildeten Blasen haben bevorzugt ihren Ursprung in den in Umlaufrichtung der Rippen geöffneten Kavitäten, die Flüssigkeit strömt durch die Fluidleitstrukturen bevorzugt radial entlang der Rippenflanke nahe der verschlossenen Bereiche der Kavität nach. Hierbei wird die entweichende Blase durch das einströmende flüssige Arbeitsmedium nicht behindert und kann sich ungestört in der Primärnut ausdehnen. Die jeweiligen Strömungszonen für die Flüssigkeit und den Dampf sind dabei im Idealfall räumlich voneinander getrennt.In a particularly preferred embodiment, fluid guide structures can be arranged on the rib flanks between the cavities. The bubbles formed in the evaporation process preferably originate in the cavities opened in the circumferential direction of the ribs, and the liquid preferably flows radially through the fluid guide structures along the rib flank near the closed regions of the cavity. The escaping bladder is not hindered by the inflowing liquid working medium and can remain undisturbed in the Extend primary groove. The respective flow zones for the liquid and the vapor are ideally spatially separated from one another.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können Fluidleitstrukturen angeordnet sein, welche sich von einer Kavität zur in Umlaufrichtung der Rippen benachbarten Kavität erstrecken. Hierdurch strömt die Flüssigkeit besonders effizient radial entlang der Rippenflanke nach. Die entweichende Blase wird durch das einströmende flüssige Arbeitsmedium nicht behindert und kann sich bis zur Ablösung in der Primärnut ausdehnen. Durch die Fluidleitstrukturen werden die jeweiligen Strömungszonen für die Flüssigkeit und für den Dampf räumlich getrennt.In a further advantageous embodiment of the invention, fluid guiding structures can be arranged which extend from one cavity to the cavity adjacent in the circumferential direction of the ribs. As a result, the liquid flows particularly efficiently radially along the rib flank. The escaping bubble is not hindered by the inflowing liquid working medium and can expand until it breaks away in the primary groove. Through the Fluidleitstrukturen the respective flow zones for the liquid and for the steam are spatially separated.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung können sich die Fluidleitstrukturen an den Rippenflanken in einem zur Rippenspitze hin ansteigenden erhabenen Bogensegment erstrecken. Durch derartige Fluidleitstrukturen wird das Fluid zu den Kavitäten als Blasenkeimstellen zur Verdampfung hingeführt.In a further advantageous embodiment, the fluid guide structures may extend on the rib flanks in a raised arc segment rising toward the rib tip. By such Fluidleitstrukturen the fluid is led to the cavities as Blasenkeimstellen for evaporation.
Vorteilhafterweise können sich die Fluidleitstrukturen an den Rippenflanken in radialer Richtung als erhabene Fluidleitflächen erstrecken. Erhabene Fluidleitflächen können aufgrund vergleichsweise scharfer Kanten und des Benetzungsverhaltens des flüssigen Fluids besonders wirksam für einen Stofftransport am Wärmeaustauscherrohr und damit für einen effizienten Wärmeaustausch sorgen.Advantageously, the fluid guide structures can extend on the rib flanks in the radial direction as raised fluid guide surfaces. Raised fluid guide surfaces can provide particularly effective for a material transport to the heat exchanger tube and thus for efficient heat exchange due to relatively sharp edges and the wetting behavior of the liquid fluid.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann eine Fluidleitfläche radial einwärts gerichtet an oder in unmittelbarer Nachbarschaft einer Kavität enden. Derartige Strukturen sorgen für eine gezielte Fluidführung und damit effiziente Wärmeabfuhr auf der Rohraußenseite.In a preferred embodiment of the invention, a fluid guide surface can end radially inwardly at or in the immediate vicinity of a cavity. Such structures provide a targeted fluid management and thus efficient heat dissipation on the outside of the tube.
Vorteilhafterweise kann eine Fluidleitfläche radial auswärts gerichtet an oder in unmittelbarer Nachbarschaft der Rippenspitze enden. So wird bereits, ausgehend vom Bereich der Rippenspitze, das flüssige Fluid für einen Wärmeaustauch an den Rippenflanken entlang radial in Richtung Rohrwand geführt.Advantageously, a fluid guide surface may terminate radially outward at or in the immediate vicinity of the fin tip. Thus, starting from the region of the rib tip, the liquid fluid is already guided radially along the rib wall for heat exchange along the rib wall.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können sich die Fluidleitstrukturen an den Rippenflanken in radialer Richtung auswärts gerichtet maximal bis zur Hälfte der Rippenhöhe erstrecken. Aus fertigungstechnischen Gründen kann die Rippenspitze ausgesprochen schmal ausgebildet sein, wodurch radial einwärts gerichtet eine Rippe erst im mittleren Teil und im Bereich des Rippenfußes eine ausreichende Breite und damit genügend Material aufweist, um aus der Flanke einen Werkstoffvorsprung auszubilden.In a further advantageous embodiment of the invention, the Fluidleitstrukturen at the rib edges in the radial direction outward maximally up to half of the rib height can extend. For manufacturing reasons, the fin tip can be made extremely narrow, whereby radially inwardly directed a rib only in the middle part and in the region of the rib foot has a sufficient width and thus enough material to form a material projection from the flank.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the schematic drawings.
Darin zeigen:
-
1 eine perspektivische Teilansicht eines Rippenabschnitts eines Wärmeaustauscherrohres mit Werkstoffvorsprüngen, -
2 eine Detailansicht eines in1 dargestellten Werkstoffvorsprungs mit einer gekrümmten Begrenzungsfläche, -
3 eine perspektivische Teilansicht eines Rippenabschnitts eines Wärmeaustauscherrohres mit Werkstoffvorsprüngen und erhabenen Fluidleitstrukturen, und -
4 eine weitere perspektivische Teilansicht eines Rippenabschnitts eines Wärmeaustauscherrohres mit Werkstoffvorsprüngen und bogenartigen Fluidleitstrukturen.
-
1 2 shows a perspective partial view of a fin section of a heat exchanger tube with material projections, -
2 a detailed view of an in1 material projection shown with a curved boundary surface, -
3 a partial perspective view of a rib portion of a heat exchanger tube with material projections and raised fluid guide structures, and -
4 a further perspective partial view of a rib portion of a heat exchanger tube with material projections and arcuate fluid guide structures.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.
In der abgebildeten Ausführungsform sind die Begrenzungsflächen der Werkstoffvorsprünge
Die maximale lichte Weite
In
Wie in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Wärmeaustauscherrohrheat exchanger tube
- 22
- Rohrwandpipe wall
- 2121
- RohraußenseitePipe outside
- 2222
- RohrinnenseitePipe inside
- 33
- Rippe auf der RohraußenseiteRib on the tube outside
- 3131
- Rippenfußfin base
- 3232
- Rippenflankerib flank
- 3333
- Rippenspitzefin tip
- 3434
- Primärnutprimary groove
- 44
- Strukturelement, WerkstoffvorsprungStructural element, material projection
- 4141
- Spitzetop
- 4242
- Ausnehmungrecess
- 55
- Kavitätcavity
- 5151
- Öffnungopening
- 5252
- Öffnungopening
- 66
- FluidleitstrukturFluidleitstruktur
- 6161
- Bogensegmentarc segment
- 6262
- Fluidleitfläche Fluidleitfläche
- x1 x 1
- lichte Weite einer Kavitätclear width of a cavity
- x2 x 2
- Längserstreckung einer KavitätLongitudinal extension of a cavity
- UU
- Umlaufrichtungdirection of rotation
- AA
- Rohrachsepipe axis
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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