DE19510124A1

DE19510124A1 - Austauscherrohr für einen Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE19510124A1
Application number: DE19510124A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl Ing Naumann; Martin Dipl Phys Schmidt
Original assignee: KM Europa Metal AG
Current assignee: KM Europa Metal AG
Priority date: 1995-03-21
Filing date: 1995-03-21
Publication date: 1996-09-26
Also published as: GR3033193T3; ES2143102T3; DE59604338D1; ATE189518T1; EP0733871B1; JPH08327273A; US5682946A; EP0733871A1; DK0733871T3; PT733871E

Description

Die Erfindung betrifft ein Austauscherrohr für einen Wärme austauscher gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Austauscherrohr zählt durch die US-PS 53 32 034 zum Stand der Technik. Hierbei weisen sowohl die Rippen als auch die von den Rippen seitlich begrenzten Kanäle jeweils einen trapezförmigen Querschnitt auf. Das Quer schnittsvolumen der Rippen ist etwa halb so groß wie das Querschnittsvolumen der Kanäle bemessen.

Die in den Rippen ausgeformten Mulden werden durch Walzen hergestellt. Hierbei wölbt sich das aus den Rippen verformte Material stirnseitig der Mulden in die Kanäle hinein. Die Bö den der Mulden liegen im Abstand zu den Kanalsohlen.

Die Herstellung des bekannten Austauscherrohrs erfolgt da durch, daß zunächst in einem zweistufigen Walzprozeß die Struktur der späteren inneren Oberfläche einseitig an einem Metallband erzeugt, anschließend das Metallband zu einem Schlitzrohr mit innenliegender Oberflächenstruktur umgeformt wird und danach die Schlitzkanten verschweißt werden.

Das zweistufige Walzen der inneren Oberflächenstruktur führt zu einem hohen Fertigungsaufwand. Es sind mehrere Walzpräge werkzeuge erforderlich, welche die Wirtschaftlichkeit beein trächtigen. Die Mulden der Rippen entstehen durch Überwalzen eines zunächst vorhandenen Volumenanteils der im ersten Walz schritt ausgeprägten Rippen. Dieser ehemalige Volumenanteil der Rippen wird nur in die unmittelbare Nachbarschaft ver teilt. Eine nennenswerte Verringerung des Metergewichts kann aber nicht erreicht werden.

Ferner kann es aufgrund der Ebenflächigkeit der Kopfseiten und der Flanken der Rippen im praktischen Einsatz zur Bildung von schwer aufreißbaren, die Kondensation verzögernden Kon densatfilmen kommen, so daß sich Sperrschichten mit wärmeiso lierenden Eigenschaften bilden. Für die Verdampfung stehen nur wenige Kanten als Dampfblasenkeime zur Verfügung.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Auf gabe zugrunde, ein Austauscherrohr mit einer inneren Oberflä chenstruktur zu schaffen, bei welcher sich einerseits die Vorteile einer gleichermaßen guten Verdampfungs- bzw. Konden sationsleistung bei reduziertem Rippengewicht verbinden und andererseits zur Herstellung des Austauscherrohrs ein einstu figes Prägeverfahren angewendet werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkma len.

Kern der Erfindung bildet eine solche innere grobe Oberflä chenstruktur, die nur gerundete Übergänge aufweist und scharfe Kanten vermeidet. Folglich kann in besonders vorteil hafter Weise die grobe Oberflächenstruktur durch Walzprägen in einer einzigen Stufe erzeugt werden. Der apparatetechni sche Aufwand wird dadurch erheblich gesenkt.

Ferner ist es jetzt hinsichtlich der Intensivierung des Wär meübergangs zwischen dem in dem Austauscherrohr strömenden Fluid und der groben Oberflächenstruktur von Vorteil, daß die Oberflächen der Rippen bis hin zu den Kanalsohlen zusätzlich mit einer gezielten Mikrorauhigkeit versehen werden. Dies macht sich insbesondere bei der Kondensation und Verdampfung von Kältemitteln bemerkbar, wenn das Austauscherrohr in einen entsprechenden Wärmeaustauscher eingegliedert wird. Das Quer schnittsvolumen der Rippen ist zugunsten der Erhöhung der Rippenanzahl verringert worden. Hierdurch ist es möglich, die wärmeaustauschende Oberflächenstruktur zu vergrößern und so mit den Wärmeübergang zu verbessern. Auch können in diesem Zusammenhang sehr schlanke Rippen und damit schmale Kanäle erzeugt werden. Die kopfseitig gerundeten Rippen haben insbe sondere den Vorteil, daß beim Einziehen eines Austauscher rohrs in Lamellen eines Wärmeaustauschers, insbesondere durch Aufweiten mittels eines durch das Austauscherrohr bewegten Werkzeugs, die Kopfpartien der Rippen nur unwesentlich abge plattet werden, so daß hiermit auch der Bildung von schwer aufreißbaren Kondensatfilmen wirksam entgegengetreten wird. Dennoch kann durch die Mikrorauhigkeit aufgrund der großen Rippenoberflächen die für eine effektive Verdampfung vorteil hafte große Anzahl von Vorsprüngen, Kanten, Spitzen und Ver tiefungen als Dampfblasenkeime bereitgestellt werden, ohne daß hierfür größere Materialmengen erforderlich sind.

Auch die Oberflächen der Lamellen können bei Bedarf mit einer Grobstruktur entsprechend der Innenstruktur der Austauscher rohre und/oder mit einer Mikrorauhigkeit versehen werden.

Die Anwendung der Erfindung erfolgt bei Austauscherrohren aus Metall, insbesondere aber aus Kupfer oder Kupferlegierungen. Derartige Austauscherrohre können z. B. einen runden oder ova len Querschnitt besitzen. Runde Austauscherrohre weisen be vorzugt einen Außendurchmesser von etwa 6 mm bis 20 mm auf.

Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß vorstellbar, daß die Mittellängsebenen der Mulden zwar parallel zueinander, jedoch in Längsrichtung der Rippen zueinander versetzt verlaufen.

Die Ausführungsform gemäß Anspruch 2 sieht demgegenüber vor, daß die Mittellängsebenen der Mulden benachbarter Rippen fluchtend verlaufen.

Die Mikrorauhigkeit der Rippenoberflächen kann auf verschie dene Art und Weise verwirklicht werden. So ist beispielsweise eine diffuse Aufrauhung durch gestrahlten Korund denkbar. Vorstellbar ist ferner eine Kerbung der Rippenoberflächen in Form von linienförmigen Mikrorillen (Anspruch 3). Diese Mi krorillen erstrecken sich dann bevorzugt parallel zueinander. Ihre Längsrichtung weicht jedoch von der Längsrichtung der Rippen ab.

Die Mikrorauhigkeit kann darüberhinaus entsprechend Anspruch 4 durch sich kreuzförmig schneidende, von der Längsrichtung der Rippen abweichende Mikrorillen gebildet sein.

Statt durchgehender Mikrorillen können aber auch punktuelle Vertiefungen vorgesehen werden. Diese können ebenfalls lini enförmig oder kreuzförmig im Abstand hintereinander angeord net sein.

Auch die Erzeugung der Mikrorauhigkeit kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Eine bevorzugte Variante wird hierbei in den Merkmalen des Anspruchs 5 gesehen. Hier wird die Mi krorauhigkeit der Rippenoberflächen durch eine Bestrahlung mit Hartpartikeln, wie z. B. Korund, oder durch eine Texturie rung mittels Laserstrahlen hergestellt. Dabei ist es möglich, entweder das bereits mit der Oberflächenstruktur versehene Ausgangsmaterial (Blechband) entsprechend zu bearbeiten oder eine Prägewalze selber mit der gewünschten negativen Mikro rauhigkeit zu versehen.

Auch eine Profilgebung der Prägewalze durch Funkenerodieren ist möglich.

Interne Untersuchungen haben ergeben, daß es zur Erzielung einer gleichermaßen guten Kondensations- und Verdampfungslei stung entsprechend Anspruch 6 vorteilhaft ist, wenn die Tiefe der Mikrorauhigkeit 0,075 mm oder geringer bemessen wird.

Nach Anspruch 7 kann der Flankenwinkel der Rippen 5° bis 60°, vorzugsweise jedoch 10° bis 40°, betragen. Auf diese Weise ist eine sehr schlanke Rippenkontur herstellbar.

Der Verlauf der Rippen relativ zur Längsachse des Austau scherrohrs erfolgt gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 unter einem Winkel von 1° bis 89°, vorzugsweise 20° bis 55°.

Ferner ist es im Rahmen der Erfindung sinnvoll, wenn nach An spruch 9 der zwischen der Längsrichtung der Rippen und den Mittellängsebenen der Mulden eingeschlossene Winkel 90° und kleiner bemessen ist.

Gemäß Anspruch 10 ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zweier benachbarter Rippen 0,10 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise 0,26 mm bis 0,6 mm, beträgt.

Die Höhe der Rippen wird je nach Rohrdurchmesser entsprechend Anspruch 11 zweckmäßig zwischen 0,03 mm bis 1,0 mm, vorzugs weise 0,05 mm bis 0,35 mm, bemessen.

Desweiteren ist es nach der Erfindung von Vorteil, wenn nach Anspruch 12 der Abstand zweier benachbarter Mulden einer Rippe 0,2 mm bis 4,0 mm, vorzugsweise 0,3 mm bis 1,0 mm, be trägt.

Die Böden der Mulden und die Kanalsohlen müssen gemäß An spruch 13 nicht auf einer Ebene liegen. Der minimale Abstand der Muldenböden von den Kanalsohlen sollte dann mindestens 0,01 mm betragen.

Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 14 ist es aber auch denkbar, daß die Muldenböden und die Kanalsohlen in derselben Ebene liegen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 in der Perspektive einen Längenabschnitt eines Aus tauscherrohrs;

Fig. 2 in der Draufsicht einen Längenabschnitt eines strukturierten Blechbands;

Fig. 3 in der Perspektive den Ausschnitt III der Fig. 2;

Fig. 4 in vergrößerter Darstellung einen vertikalen Quer schnitt entlang der Linie IV-IV der Fig. 2;

Fig. 5 einen vertikalen Längsschnitt entlang der Linie V-V der Fig. 4 und die

Fig. 6 und 7 anhand von Diagrammen einen Leistungsvergleich an Wärmeaustauschern in Koaxialbauweise mit verschie denen Rohrausführungen.

Mit 1 ist in der Fig. 1 ein Längenabschnitt eines längsnaht geschweißten Austauscherrohrs für einen ansonsten nicht näher dargestellten Wärmeaustauscher zur Kondensation und Verdamp fung von Kältemitteln bezeichnet.

Das im Außen- und Innenquerschnitt kreisrunde Austauscherrohr 1 besitzt eine glatte äußere Oberfläche 2 und eine struktu rierte innere Oberfläche 3. Zur Festlegung des Austauscher rohrs 1 in einer ggf. von mehreren zueinander parallel ver laufenden Austauscherrohren 1 durchsetzten Lamelle eines Wär meaustauschers wird das Austauscherrohr 1 in eine an seinen Außendurchmesser angepaßte Öffnung in der Lamelle eingeführt und durch Aufweiten in der Öffnung festgelegt. Zu diesem Zweck wird ein entsprechend ausgebildetes nicht näher darge stelltes Aufweitwerkzeug durch das Austauscherrohr 1 verla gert.

Beim Ausführungsbeispiel besitzt das Austauscherrohr 1 einen Außendurchmesser D von 9,52 mm.

Die Herstellung des Austauscherrohrs 1 erfolgt aus einem nicht näher dargestellten beidseitig ebenen Blechband aus Kupfer. Das Blechband wird einem einstufigen Walzprägevorgang unterworfen, wobei entsprechend der Darstellung der Fig. 2 und 3 eine Seite des Blechbands 4 glatt bleibt (die spätere äußere Oberfläche 2 des Austauscherrohrs 1) und die andere Seite mit einer strukturierten Oberfläche (die spätere Innen seite 3 des Austauscherrohrs 1) versehen wird. Lediglich die dem Verschweißen dienenden Randbereiche 5 des Blechbands 4 (Fig. 2) bleiben unstrukturiert. Nach dem Walzprägen wird das Blechband 4 zu einem Schlitzrohr eingeformt und dann längsnahtgeschweißt sowie auf Länge abgeteilt.

Die Struktur der inneren Oberfläche 3 des Austauscherrohrs 1 wird anschließend anhand der Fig. 2 bis 5 näher erläutert.

Sie umfaßt unter einem Winkel α von 45° zur Längsachse 6 des Austauscherrohrs 1 verlaufende parallele Rippen 7 (Fig. 2 und 3) mit geneigten Flanken 8 (Fig. 3 und 4). Der Flankenwinkel β der Rippen 7 beträgt beim Ausführungsbeispiel 20° und der Abstand A zweier benachbarter Rippen 7 0,35 mm (Fig. 2 und 4). Ihre Höhe H beläuft sich auf 0,30 mm (Fig. 4). Der die Rippen 7 im Fußbereich verbindende Basis abschnitt 9 hat eine Dicke D1 von 0,30 mm (Fig. 5).

Ferner ist aus den Fig. 3 und 4 zu erkennen, daß sowohl die Kopfbereiche 10 der Rippen 7 als auch die Übergänge 11 von den Flanken 8 auf die Kanalsohlen 12 gerundet sind. Das Querschnittsvolumen der Rippen 7 ist kleiner als das Quer schnittsvolumen der Kanäle 13 zwischen den Rippen 7 bemessen.

Wie insbesondere die Fig. 3 und 5 veranschaulichen, ist jede Rippe 7 im Längsschnitt gesehen mit einem sinusförmigen Kammverlauf versehen. Aufgrund dieses sinusförmigen Wellen kamms der Rippen 7 in ihren Längsrichtungen LR werden in den Rippen 7 quer verlaufende Mulden 14 gebildet. Wie in diesem Zusammenhang die Fig. 2 zeigt, sind Mulden 14 benachbarter Rippen 7 in einem Winkel γ von 45° zur Längsachse 6 des Aus tauscherrohrs 1 fluchtend hintereinander angeordnet. Der zwi schen der Längsrichtung LR der Rippen 7 und den Mittel längsebenen MLE der Mulden 14 eingeschlossene Winkel δ be trägt 90°. Der Abstand A1 zweier in Längsrichtung einer Rippe 7 benachbarter Mulden 14 0,50 mm (Fig. 2 und 5) und der Abstand A2 der Muldenböden 15 von den Kanalsohlen 12 beträgt 0,01 mm. Die Mulden 14 haben eine Tiefe T1 von 0,25 mm (Fig. 4 und 5).

Wie die Fig. 5 in bewußt übertriebener Darstellung anhand des Wellenkamms der Rippen 7 erkennen läßt, sind die Oberflä chen 8, 10, 11 der Rippen 7, d. h. die Kopfbereiche 10, die Flanken 8 und die Übergänge 11 von den Flanken 8 auf die Ka nalsohlen 12, ggf. aber auch die Kanalsohlen 12, mit einer Mikrorauhigkeit 16 versehen, deren Tiefe T 0,005 mm beträgt.

Die Herstellung der Mikrorauhigkeit 16 erfolgt beim Ausfüh rungsbeispiel unmittelbar beim Walzprägen. Dazu ist die Prä gewalze mittels einer Bestrahlung durch Korunde mit einer ne gativen diffusen Oberflächenstruktur versehen worden, die dann die Erzeugung der Oberflächenstruktur an der späteren inneren Oberfläche 3 des Austauscherrohrs 1 gewährleistet.

Aufgrund der strukturierten inneren Oberfläche 3 hat das in Fig. 1 veranschaulichte Austauscherrohr 1 im Vergleich nicht nur zu einem Austauscherrohr mit einer glatten inneren Ober fläche, sondern auch zu einem innen gerillten Austauscherrohr einen wesentlich besseren Wärmedurchgangskoeffizienten k′ (W/mK).

Dieser Sachverhalt ist aus den aufgrund vergleichender Unter suchungen erstellten Diagrammen gemäß den Fig. 6 und 7 ohne zusätzliche Erläuterungen erkennbar (Fig. 6 - Kondensa tion, Fig. 7 - Verdampfung).

Bezugszeichenliste

1 - Austauscherrohr
2 - äußere Oberfläche v. 1
3 - innere Oberfläche v. 1
4 - Blechband
5 - Randbereiche v. 4
6 - Längsachse v. 1
7 - Rippen
8 - Flanken v. 7
9 - Basisabschnitt v. 4
10 - Kopfbereiche v. 7
11 - Übergänge v. 8 auf 12
12 - Kanalsohlen
13 - Kanäle
14 - Mulden
15 - Muldenböden
16 - Mikrorauhigkeit
A - Abstand zweier benachbarter Rippen 7
A1 - Abstand zweier benachbarter MLE auf einer Rippe 7
A2 - Abstand v. 12 zu 15
D - Außendurchmesser v. 1
D1 - Dicke v. 9
H - Höhe v. 7
LR - Längsrichtung v. 7
MLE - Mittellängsebenen direkt benachbarter Mulden 14 auf verschiedenen Rippen 7
T - Tiefe v. 16
T1 - Tiefe v. 14
α - Winkel zw. 6 u. 7
β - Flankenwinkel v. 7
γ - Winkel zw. 6 u. MLE
δ - Winkel zw. LR u. MLE

Claims

1. Austauscherrohr für einen Wärmeaustauscher, das eine glatte äußere Oberfläche (2) und eine strukturierte in nere Oberfläche (3) aufweist, die aus in einem von 90° abweichenden Winkel (α) zur Längsachse (6) des Austau scherrohrs (1) verlaufenden parallelen Rippen (7) mit geneigten Flanken (8), von den Rippen (7) seitlich be grenzten Kanälen (13) und in den Rippen (7) ausgeformten quer verlaufenden Mulden (14) gebildet ist, wobei die Mittellängsebenen (MLE) der Mulden (14) in einem von 90° abweichenden Winkel zur Längsachse (6) des Austau scherrohrs (1) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulden (14) durch eine im Längsschnitt sinusförmige Gestaltung der hinsichtlich ihrer Oberflächen (8, 10, 11) mit einer Mikrorauhigkeit (16) versehenen und kopf seitig gerundeten Rippen (7) gebildet sind, wobei die einander gegenüberliegenden Flanken (8) benachbarter Rippen (7) durch gerundete Übergänge (11) mit den Kanal sohlen (12) verbunden sind.

2. Austauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellängsebenen (MLE) der Mulden (14) benach barter Rippen (7) fluchtend verlaufen.

3. Austauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mikrorauhigkeit (16) der Rippenober flächen (8, 10, 11) durch parallel zueinander verlau fende, von der Längsrichtung (LR) der Rippen (7) abwei chende Mikrorillen gebildet ist.

4. Austauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mikrorauhigkeit (16) der Rippenober flächen (8, 10, 11) durch sich kreuzförmig schneidende, von der Längsrichtung (LR) der Rippen (7) abweichende Mikrorillen gebildet ist.

5. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Mikrorauhigkeit (16) durch Partikelstrahlen oder mittels Laserstrahlen hergestellt ist.

6. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Tiefe (T) der Mikrorauhig keit (16) 0,075 mm oder geringer bemessen ist.

7. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß der Flankenwinkel (β) der Rip pen (7) 5° bis 60°, vorzugsweise 10° bis 40°, beträgt.

8. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß die Längsrichtung (LR) der Rippen (7) unter einem Winkel (α) von 1° bis 89°, bevor zugt 20° bis 55°, zur Längsachse (6) des Austauscher rohrs (1) verläuft.

9. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß der zwischen der Längsrichtung (LR) der Rippen (7) und den Mittellängsebenen (MLE) der Mulden (14) eingeschlossene Winkel (δ) 90° und kleiner bemessen ist.

10. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß der Abstand (A) zweier benach barter Rippen (7) 0,10 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise 0,26 mm bis 0,6 mm, beträgt.

11. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) der Rippen (7) 0,03 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,05 mm bis 0,35 mm, beträgt.

12. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß der Abstand ( A1) zweier be nachbarter Mulden (14) einer Rippe (7) 0,2 mm bis 4,0 mm, vorzugsweise 0,3 mm bis 1,0 mm, beträgt.

13. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Muldenböden (15) im Ab stand (A2) von den Kanalsohlen (12) angeordnet sind.

14. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Muldenböden (15) in der selben Ebene wie die Kanalsohlen (12) angeordnet sind.