DE1451280C

DE1451280C - Internally finned heat exchange tube

Info

Publication number: DE1451280C
Application number: DE19631451280
Authority: DE
Inventors: Gisbert Dipl-Ing- 5750 Menden Dem
Original assignee: R. & G. Schmöle, Metallwerke, 5750 Menden
Priority date: 1963-06-20
Filing date: 1963-06-20
Publication date: 1973-08-02

Description

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Die Erfindung betrifft ein innenberipptes Wärmetauschrohr, bei dem die Innenrippen durch gegeneinander versetzt angeordnete Ausbiegungen in einem Metallband gebildet sind, welches schraubenförmig gewickelt der Rohrwand anliegt und mit dieser verlötet ist.The invention relates to an internally finned heat exchange tube, in which the inner ribs are combined in one with deflections that are offset from one another Metal band are formed, which is wound in a helical manner and rests against the pipe wall and is soldered to it is.

Bei einem bekannten Wärmetauschrohr dieser Art bestehen die Ausbiegungen aus flachen, aus dem Metallband ausgestanzten und hochgebogenen lappenartigen Ansätzen, deren Dicke naturgemäß der Dicke des Metallbandes entspricht. Diese lappenartigen Ansätze sind rechteckig oder trapezförmig ausgebildet und nur im Bereich einer Stirnseite fest bzw. einstückig mit den übrigen Abschnitten des Metallbandes verbunden.In a known heat exchange tube of this type, the bends consist of flat, from the Metal band punched out and bent up lobe-like approaches, the thickness of which is of course the Thickness of the metal band corresponds. These lobe-like approaches are rectangular or trapezoidal formed and only in the area of one end face firmly or in one piece with the other sections of the Metal band connected.

Diese bekannte Bauart besitzt den wesentlichen Nachteil, daß die geraden Flächen der lappenartigen Ausbiegungen einen besonders großen Strömungswiderstand verursachen, so daß der Druckverlust des Mediums, welches durch das bekannte innenberippte Wärmetauschrohr hindurchströmt, ebenfalls entsprechend hoch ist. Der große Strömungswiderstand erfordert eine hohe Pumpenleistung und damit entsprechend höhere Anschaffungs- und Betriebskosten für Anlagen, in denen derartige Wärmetauschrohre eingesetzt sind. Ein weiterer Nachteil des bekannten Wärmetauschrohres ist die leichte Verformbarkeit des dünnen, schraubenförmig gewickelten Metallbandes und die hierdurch bedingte nur geringe. Federwirkung, so daß das Metallband sich nicht überall fest gegen die Innenwandung des Außenrohres anpreßt, in welches es nach dem Aufwickeln eingeschoben wird, infolgedessen erfolgt eine nur stellenweise Veriötung zwischen dem Außenrohr und dem schraubenförmig gewickelten Metallband, und es entsteht damit auch nur stellenweise eine gut wärmeleitende Verbindung zwischen dem schraubenförmig gewickelten Metallband und der Wandung dss Außenrohres. Infolgedessen ist der Wärmeübergang entsprechend schlechter, was wiederum wesentliche wirtschaftliche Nachteile zur Folge hat.This known design has the major disadvantage that the straight surfaces of the tab-like Bends cause a particularly large flow resistance, so that the pressure loss of the medium, which flows through the well-known internally finned heat exchange tube, also is correspondingly high. The large flow resistance requires a high pump output and thus correspondingly higher acquisition and operating costs for systems in which such heat exchange tubes are used. Another disadvantage of the known heat exchange tube is that it is easy to deform of the thin, helically wound metal band and the resulting only minor. Spring effect, so that the metal band is not pressed firmly against the inner wall of the outer tube everywhere, into which it is inserted after being wound up, as a result of which it only occurs in places Veriötung between the outer tube and the helically wound metal band, and it arises thus a good heat-conducting connection between the helical one only in places wound metal band and the wall of the outer tube. As a result, the heat transfer correspondingly worse, which in turn has significant economic disadvantages.

Ferner besitzt die bekannte Bauart den Nachteil, daß die lappenartigen Ausbiegungen verhältnismäßig leicht wieder in die Ebene des Metallbandes zurückgebogen werden können, so daß ihre Wirkung als Distanzierungsmittel unsicher ist. Beim Auftreten radial wirkender Kräfte, die insbesondere beim Aufwickeln des Metallbandes entstehen, jedoch auch bei einem fertigen Wärmetauschrohr auftreten können, werden die Lappen zumindest teilweise in die Bandebene zurückgebogen. Dies hat zur Folge, daß das schraubenförmig gewickelte Band in radialer Rich tung eine, geringere Außenabmessung aufweist als der radiale Abstand zwischen der Außenfläche des Innenrohres und der Innenfläche des Außenrohres. Dies beeinträchtigt in erheblichem Maße sowohl die mechanische Festigkeit des Wärmetauschrohres als auch seine Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Wärmeübertragung. Letztere wird dadurch beeinträchtigt, daß zwischen dem Innenrohr und dem gewickelten Metallband sowie zwischen diesem und dem Außenrohr an vielen Stellen ein schlechter Berührungskontakt besteht. Es sind dann Luftspalte vorhanden, welche wärmeisolierend wirken bzw. den Wärme-' übergangswiderstand beträchtlich erhöhen. Der Wärmetausch wird bei dem bekannten Wärmetausch rohr auch deshalb behindert, weil die Wärme von den lappenartigen Ansätzen nur über die verhältnismäßig schmale Verbindungsstelle zu den übrigen Abschnitten des Metallbandes gelangen kann, so daß der zur Übertragung zur Verfügung stehende Materialquerschnitt verhältnismäßig klein ist. Schließlich sind die wärmetauschenden Flächen der flachen, lappenartigen Ausbiegungen verhältnismäßig klein, was ebenfalls die Wärmeübertragung vom Medium auf das Metallband bzw. umgekehrt erheblich beein-' trächtigt.Furthermore, the known design has the disadvantage that the flap-like bends can be relatively easily bent back into the plane of the metal strip, so that their effect as a distancing means is uncertain. When radially acting forces occur, which arise in particular when the metal strip is being wound up, but can also occur in a finished heat exchange tube, the tabs are at least partially bent back into the plane of the strip. This has the consequence that the helically wound tape in the radial direction Rich has a smaller outer dimension than the radial distance between the outer surface of the inner tube and the inner surface of the outer tube. This significantly affects both the mechanical strength of the heat exchange tube and its performance in terms of heat transfer. The latter is adversely affected by the fact that there is poor physical contact at many points between the inner tube and the wound metal strip and between the latter and the outer tube. There are then air gaps which have a heat-insulating effect or considerably increase the heat transfer resistance. The heat exchange is hindered in the known heat exchange tube because the heat from the flap-like approaches can only reach the remaining sections of the metal band via the relatively narrow connection point, so that the material cross-section available for transfer is relatively small. Finally, the heat-exchanging surfaces of the flat, flap-like bends are relatively small, which also considerably impairs the heat transfer from the medium to the metal strip or vice versa.

ίο Bei einem anderen ebenfalls bekannten Wärmetauschrohr ist das zwischen Innen- und Außenrohr angeordnete Metallband, im Rohrquerschnitt gesehen, sternförmig ausgebildet und füllt dabei den Ringraum zwischen Innen- und Außenrohr in Form einer zickzackförmigen, umlaufenden Linie aus. Das hier verwendete Metallband ist außerordentlich labil und daher als Distanzierungsmittel wenig geeignet. Das gefaltete Metallband niegt darüber hinaus bereits beim Aufwickeln zu Längenänderungen und damit auch zu Änderungen der Rippenhöhe, wodurch sich Zentrierungsschwierigkeiten ergeben. Die Lötstellen und damit die Wärmeübertragungsstellen bestehen nur aus schmalen Streifen, die nicht einmal in allen Fällen ordnungsgemäß Zustandekommen. Infolgedessen ist sowohl die mechanische Festigkeit als auch die Wärmeübertragungsleistung dieses bekannten Wärmetauschrohres unbefriedigend.ίο With another also known heat exchange tube is the metal strip arranged between the inner and outer pipe, seen in the pipe cross-section, Designed in a star shape and fills the annular space between the inner and outer tube in shape a zigzag, circumferential line. The metal band used here is extremely unstable and therefore not very suitable as a distancing agent. In addition, the folded metal band is already in place when winding to changes in length and thus also to changes in the height of the ribs, which leads to Centering difficulties arise. The soldering points and thus the heat transfer points exist only from narrow strips, which do not even come about properly in all cases. Consequently is both the mechanical strength and the heat transfer performance of this known Heat exchange tube unsatisfactory.

Darüber hinaus ist ein weiteres Wärmetauschrohr bekannt, weiches im Querschnitt außerordentlich flach ist und im wesentlichen die Form einer im Innern hohlen Platte besitzt. In diesem Hohlraum ist ein durch mehrfaches, etwa rechtwinkeliges Abkanten im wesentlichen wellenförmig ausgebildetes Metallband eingelegt, das mit warzenförmigen Auspressungen versehen ist. Diese Auspressungen sind jedoch im Bereich ihres Bodens aufgerissen und bilden somit Bohrungen im Metallband. Durch das Aufreißen der Auspressungen erhalten diese unterschiedliche Höhen, so daß sie als Distanzmittel unbrauchbar sind. Sie besitzen keine nennenswerten wärmeübertragenden Flächen und können auch wegen ihres aufgerissenen Bodens die Steifigkeit des Metallbandes nicht nennenswert verbessern. Sie dienen vielmehr dazu, dem Medium die Möglichkeit zu geben, trotz des abgekanteten Metallbandes direkt an die Innenfläche der Außenwandung zu gelangen. Sie sind also weder Distanzierungsmittel, noch kann ihr die aufgerissene Öffnung umschließender Werkstoff die Wärmeübertragung nennenswert verbessern.In addition, another heat exchange tube is known which is extremely flat in cross section and essentially has the shape of a plate that is hollow in the interior. In this cavity, a metal band, which is essentially wave-shaped by multiple, approximately right-angled folding, is inserted, which is provided with wart-shaped press-outs. However, these press-outs are torn open in the area of their bottom and thus form holes in the metal strip. By tearing open the extrusions, they are given different heights, so that they cannot be used as spacers. They do not have any significant heat-transferring surfaces and, because of their torn-open bottom, cannot significantly improve the rigidity of the metal strip. Rather, they serve to give the medium the opportunity to get directly to the inner surface of the outer wall despite the folded metal strip. So they are neither a means of distancing, nor can the material surrounding the torn opening improve the heat transfer significantly.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von Wärmetauschrohren der eingangs genannten bekannten Gattung, ein Wärmetauschrohr zu schaffen, dem die vorstehend behandelten Nachteile nicht anhaften, sondern das wirtschaftlicher im Betrieb ist und eine höhere mechanische Festigkeit aufweist.The invention is based on the object, starting from heat exchange tubes of the known type mentioned in the introduction, to provide a heat exchange tube, the non-adhering the above-discussed drawbacks, but is more economical in operation and has a higher mechanical strength.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ausbiegungen durch kuppen- oder napfförmige Auspressungen gebildet sind, deren Tiefe größer oder mindestens gleich ihrem Durchmesser oder der entsprechenden größten Breite ist. Hierdurch wird zunächst erreicht, daß der Strömungswiderstand des Mediums und damit der Druckverlust im Innern des Wärmetauschrohres wesentlich verringert wird, weil die im Querschnitt runden, kuppen- oder napfförmigen Ausprsssungen strömungstech nisch wesentlich günstiger sind als die im wesentlichen ebenen Flächen der Ausbiegungen bei der ein- According to the invention, this object is achieved in that the bends are formed by dome-shaped or cup-shaped press-outs, the depth of which is greater than or at least equal to their diameter or the corresponding greatest width. This first ensures that the flow resistance of the medium and thus the pressure loss inside the heat exchanger tube is significantly reduced because the rounded, dome -shaped or cup-shaped Ausprsssungen are aerodynamically much better than the essentially flat surfaces of the bends in the one -

gangs erwähnten bekannten Bauart. Ein geringerer Strömungswiderstand und damit geringerer Druckverlust ermöglicht beispielsweise die Verwendung schwächerer Pumpen, wodurch sowohl die Anschaffungskosten als auch die Betriebskosten einer Anlage, in welcher die erfindungsgemäßen Wärmetauschrohre verwendet werden, entsprechend niedriger sind. Außerdem bewirken die kuppen- oder napfförmigen Auspressungen mit ihren geschlossenen Böden eine wesentliche Versteifung des dünnen, schraubenförmig gewickelten Metallbandes und verbessern damit in erheblichem Maße seine Federwirkung. Die Folge davon ist, daß sich das Band fest gegen die Innenfläche des Außenrohres anlegt und somit bereits vor dem Verlöten nahezu überall direkten wärmeleitenden Kontakt mit dem Außenrohr besitzt. Dieser Kontakt wird durch den Lötvorgang noch verbessert, wobei das Lot durch die Federwirkung des sich gegen die Innenfläche des Außenrohres anpressenden Metallbandes in eventuell vorhandene Hohlräume gedrückt wird. Hierdurch werden diese ebenfalls ausgefüllt, und auch dort wird eine wärmeübertragende Verbindung zwischen dem Metallband und dem Außenrohr hergestellt. Wärmeisolierend wirkende Luftspalte oder Lufträume werden auf diese Weise zuverlässig vermieden.known design mentioned above. A lower flow resistance and thus lower pressure loss allows, for example, the use of weaker pumps, reducing both the initial cost as well as the operating costs of a system in which the heat exchange tubes according to the invention are used, are correspondingly lower. In addition, the dome-shaped or cup-shaped Expressions with their closed bottoms provide a substantial stiffening of the thin, helical shape wound metal strip and thus improve its spring effect to a considerable extent. The consequence of which is that the tape rests firmly against the inner surface of the outer tube and thus already before has direct heat-conducting contact with the outer tube almost everywhere after soldering. This contact is improved by the soldering process, whereby the solder is counteracted by the spring action of the the inner surface of the outer tube pressing metal band into any existing cavities is pressed. This also fills them out, and there is also a heat transferring Connection made between the metal band and the outer tube. Thermally insulating Air gaps or air spaces are reliably avoided in this way.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung liegt darin, daß die kuppen- oder napfförmigen Auspressungen in der Lage sind, sehr hohen Belastungen standzuhalten, so daß es weder beim Wickeln des Metallbandes noch beim Transport des Rohres oder während des Betriebes vorkommen kann, daß diese Auspressungen flachgedrückt werden. Selbst bei hohen Beanspruchungen bleibt die radiale Höhe der kuppen- oder napfförmigen Auspressungen erhalten, so daß Innenrohr und Außenrohr über das schraubenförmig gewickelte Metallband und die kuppen- oder napfförmigen Auspressungen desselben sowohl mechanisch fest miteinander verbunden sind als auch gut wärmeleitend miteinander in Verbindung stehen. Der bessere Wärmeübergang beruht auf einer Vergrößerung der wärmeübertragenden Fläche des Metallbandes durch die Auspressungen, wobei die runden, kuppen- oder napfförmigen Auspressungen bei gleichen Außenabmessungen eine wesentlich größere Fläche zur Wärmeübertragung zur Verfügung stellen, als dies bei den flachen Ausbiegungen der bekannten, eingangs erwähnten Bauart der Fall ist. Auch sind die kuppen- oder napfförmigen Auspressungen nicht nur an einer verhältnismäßig schmalen Stelle mit den übrigen Abschnitten des Metallbandes verbunden, sondern im Bereich ihres gesamten Umfanges, wodurch auch dort ein größerer wärmeübertragender Querschnitt zur Verfügung steht.Another major advantage of the invention Training lies in the fact that the dome-shaped or cup-shaped extrusions are able to to withstand very high loads, so that it is neither when winding the metal tape nor when Transporting the pipe or during operation it can happen that these press-outs are flattened will. Even with high loads, the radial height remains the domed or cup-shaped Get press-outs so that the inner tube and outer tube over the helically wound Metal band and the dome-shaped or cup-shaped expressions of the same both mechanically fixed to one another are connected as well as are connected to each other with good thermal conductivity. The better heat transfer is based on an enlargement of the heat-transferring surface of the metal strip by the Expressions, whereby the round, dome-shaped or cup-shaped expressions with the same external dimensions provide a much larger area for heat transfer than with the flat bends of the known type mentioned at the beginning is the case. Also are the hilltops or cup-shaped extrusions not only at a relatively narrow point with the other sections of the metal band connected, but in the area of its entire circumference, which also there a larger heat-transferring cross-section is available.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Auspressungen einen ovalen oder elliptischen Querschnitt auf. Auspressungen mit einem ovalen oder elliptischen Querschnitt werden zweckmäßigerweise so angeordnet, daß sie in Strömungsrichtung des Mediums die kleinste Fläche besitzen und quer dazu ihre größte Fläche aufweisen. Auf diese Weise erzielt man bei großer wärmeübertragender Fläche einen besonders niedrigen Strömungswiderstand, so daß der Druckverlust des Mediums besonders gering ist. ^6s In an advantageous embodiment of the invention, the press-outs have an oval or elliptical cross section. Expressions with an oval or elliptical cross section are expediently arranged in such a way that they have the smallest area in the direction of flow of the medium and their largest area transversely thereto. In this way, with a large heat-transferring surface, a particularly low flow resistance is achieved, so that the pressure loss of the medium is particularly low. ^6s

In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht. Es zeigtIn the drawing, the invention is illustrated using an exemplary embodiment. It shows

F i g. 1 einen Abschnitt eines fertigen Wärmetauschrohres, teilweise im Längsschnitt,F i g. 1 a section of a finished heat exchange tube, partly in longitudinal section,

Fig. 2 einen Abschnitt eines auf ein Innenrohr gewickelten, mit Auspressungen versehenen Metallbandes vor dem Aufziehen des Außenrohres,2 shows a section of a metal strip which is wound onto an inner tube and provided with press-outs before pulling on the outer tube,

F i g. 3 ein Außenrohr, das mit einer Innenschicht aus Lötwerkstoff versehen ist.F i g. 3 an outer tube which is provided with an inner layer made of soldering material.

In Fig. 1 sind mit 1 kuppen- oder napfförmige Auspressungen bezeichnet, die in einem Metallband 2 eingebracht sind. Das Metallband 2 ist — wie in F i g. 2 dargestellt — schraubenförmig gewickelt, und zwar um ein Innenrohr 3, das in F i g. 1 bereits herausgezogen ist. Durch das Wickeln entsteht ein mit 4 bezeichnetes Einsatzrohr, welches — wie in Fig. 1 gezeigt — in ein Außenrohr 6 eingeschoben wird bzw. über welches ein Außenrohr 6 geschoben ist.In Fig. 1 1 are dome-shaped or cup-shaped Designated expressions which are introduced into a metal strip 2. The metal band 2 is - as in F i g. 2 shown - wound in a helical manner, namely around an inner tube 3, which is shown in FIG. 1 already pulled out is. The winding creates an insert tube labeled 4, which - as in FIG. 1 shown - is pushed into an outer tube 6 or over which an outer tube 6 is pushed.

Zur Erzielung einer zuverlässig festen und wärmeleitenden Verbindung zwischen dem Einsatzrohr 4 und dem Außenrohr 6 dient eine Innenschicht 7 im Außenrohr 6, welche aus einem Lötwerkstoff besteht. Diese Innenschicht, welche in F i g. 3 dargestellt ist, wird vor dem Einschieben des Einsatzrohres 4 in das Außenrohr 6 eingebracht. Als Lötwerkstoff dient vor allem Zinn. Das Auftragen der Innenschicht 7 kann im Tauchverfahren erfolgen, und der anhaftende Werkstoff wird anschließend durch einen Schleudervorgang gleichmäßig verteilt.To achieve a reliably firm and heat-conducting connection between the insert tube 4 and the outer tube 6 is an inner layer 7 in the outer tube 6, which consists of a soldering material. This inner layer, which is shown in FIG. 3 is shown before inserting the insert tube 4 into the Outer tube 6 introduced. The main soldering material used is tin. The application of the inner layer 7 can done in the immersion process, and the adhering material is then through a centrifugal process equally distributed.

Nach dem Aufziehen des Außenrohres 6 auf das Einsatzrohr 4 wärmt man das gesamte Wärmetauschrohr, so daß die Innenschicht 7 schmilzt und eine homogene Zwischenschicht zwischen dem Einsatzrohr 4 und dem Außenrohr 6 entsteht. Diese ist gut wärmeleitend und bildet nach dem Erkalten auch eine mechanisch feste Verbindung zwischen dem Einsatzrohr 4 und dem Außenrohr 6.After pulling the outer tube 6 onto the insert tube 4, the entire heat exchange tube is warmed, so that the inner layer 7 melts and a homogeneous intermediate layer between the insert tube 4 and the outer tube 6 is created. This is a good heat conductor and also forms after cooling a mechanically firm connection between the insert tube 4 and the outer tube 6.

Die kuppen- oder napfförmigen Auspressungen 1 in dem aus einem langen, schmalen und dünnwandigen Metallband, vorzugsweise einem Kupferband 2, bestehenden Einsatzrohr 4 besitzen eine Tiefe, die größer oder mindestens gleich ihrem Durchmesser oder der entsprechenden größten Breite ist. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind zylindrische Auspressungen vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich und vorteilhafter, Auspressungen mit elliptischem oder ovalem Querschnitt zu verwenden, um eine möglichst große wirksame Oberfläche für den Wärmetausch bei einem nur geringen Durchflußwiderstand zu erhalten.The dome-shaped or cup-shaped expressions 1 in which a long, narrow and thin-walled one Metal band, preferably a copper band 2, existing insert tube 4 have a Depth that is greater than or at least equal to its diameter or the corresponding greatest width. In the embodiment shown in the drawing, cylindrical press-outs are provided. However, it is also possible and more advantageous to use extrusions with an elliptical or oval cross-section to use the largest possible effective surface for the heat exchange at one only to obtain low flow resistance.

Das in F i g. 2 dargestellte Innenrohr 3 kann auch aus einer Dornstange bestehen, die später herausgezogen werden kann. Im übrigen ist es jedoch auch möglich, ein Rohr zu verwenden, das als Innenrohr 3 innerhalb des Wärmetauschrohres auch während des Betriebes verbleibt.The in Fig. The inner tube 3 shown in FIG. 2 can also consist of a mandrel bar, which is later pulled out can be. Otherwise, however, it is also possible to use a tube that is used as the inner tube 3 remains inside the heat exchange tube even during operation.

Die Innenschicht 7 des Außenrohres 6 ist in F i g. 1 und 3 übertrieben dick dargestellt. Sie kann auch als Lötband mit dicht aneinander anschließenden Windungen auf das Einsatzrohr 4 aufgelegt sein, so daß beim späteren Schmelzvorgang eine homogene Zwischensicht entsteht. Das Einsatzrohr 4 hat auf Grund seiner ihm eigenen Federwirkung das Bestreben, sich fest gegen die Innenwand des Außenrohres 6 zu pressen, so daß auch der Lötwerkstoff hierdurch in seiner vorbestimmten Lage gehalten wird.The inner layer 7 of the outer tube 6 is shown in FIG. 1 and 3 shown exaggeratedly thick. It can also be used as a Soldering tape be placed on the insert tube 4 with tightly adjoining turns, so that a homogeneous intermediate layer is created during the subsequent melting process. The insert tube 4 has due its own spring action the endeavor to press firmly against the inner wall of the outer tube 6, so that the soldering material is thereby also held in its predetermined position.

Claims

Patent claims:

1. Internally finned heat exchange tube, in which the inner fins are offset against one another.

orderly bends are formed in a metal band, which is helically wound the pipe wall rests and is soldered to this, characterized in that the Bends are formed by dome-shaped or cup-shaped press-outs (1), the depth of which greater than or at least equal to their diameter or the corresponding largest width is.

2. Tube according to claim 1, characterized in that the expressions (1) have an oval or elliptical cross-section.

1 sheet of drawings