DE19963353A1 - Beidseitig strukturiertes Wärmeaustauscherrohr und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Beidseitig strukturiertes Wärmeaustauscherrohr und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft beidseitig strukturierte Wärmeaustauscherrohre (1) mit ausgezeichneten Wärmeübertragungseigenschaften, die auf der Außenseite Vertiefungen (3, 7) und auf der Innenseite Rippen (5) bestimmter Abmessungen aufweisen. DOLLAR A Die für verschiedene Verfahrensvarianten verwendeten Strukturierungswerkzeuge werden so eingestellt, daß sie nicht nur fluchtende, kontinuierliche Nuten (3) und nicht-fluchtend, voneinander beabstandete Vertiefungen (7) sondern auch sekundäre Strukturen erzeugen können. Die vorzugsweise mit glatten Enden (1a) und glatten Zwischenstücken (1b) versehenen Wärmeaustauscherrohre (1) werden insbesondere in Rohrbündelwärmeaustauschern eingesetzt (Fig. 3).
Description
Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscherrohre mit wahlweise
glatten Enden, mindestens einem auf der Rohraußen- und Rohrin
nenseite strukturierten Bereich und wahlweise glatten Zwi
schenbereichen, wobei der Außendurchmesser des strukturierten
Bereichs nicht größer ist als der Außendurchmesser der glatten
Enden bzw. der glatten Zwischenbereiche.
Dieser Typ von Rohren wird üblicherweise als "beidseitig
strukturierte Rohre" bezeichnet.
Wärmeaustauscherrohre der genannten Art werden üblicherweise
in Rohrbündelwärmeaustauschern eingesetzt (siehe Fig. 1,
Quelle: TEMA, Standards of Tubular Exchanger Manufacturers
Association, New York, 1968). Diese Wärmeaustauscher sind
charakterisiert durch eine Anzahl von parallel angeordneten
Rohren 30, die an ihren Enden fest mit den Rohrböden 31 ver
bunden sind. Je nach Einsatzbedingung und Länge werden die
Rohre mittels Stützblechen 32 abgestützt. Diese Stützbleche 32
dienen auch dazu, den mantelseitigen Fluidstrom in bestimmten
Richtungen zu lenken. In den Rohren 30 strömt z. B. Wasser oder
eine Mischung aus Wasser und Glykol, wobei das rohrseitig
strömende Medium erhitzt oder abgekühlt wird.
Um die Wärmeübertragungsleistung derartiger Wärmeaustauscher
zu steigern, werden berippte oder strukturierte Rohre anstelle
von glatten eingesetzt. Hierbei ist beabsichtigt, die für die
Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche zu vergrößern
und ferner Effekte der Oberflächenspannung auszunutzen. In
Fig. 2 ist schematisch ein strukturiertes Wärmeaustauscher
rohr 30 dargestellt. Es besitzt mehrere strukturierte Bereiche
2, die durch glatte, unstrukturierte Enden 1a und glatte,
unstrukturierte Zwischenstücke 1b begrenzt sind. An den glat
ten Enden 1a wird das Rohr 30 üblicherweise durch einen Ein
walzvorgang fest mit den Rohrböden 31 verbunden. An den glat
ten Zwischenstücken 1b liegt das Rohr 30 in den Bohrungen der
Stützbleche 32 auf. Damit das Rohr in die Rohrböden 31 und
Stützbleche 32 eingeschoben und mit den Rohrböden 31 dicht
verbunden werden kann bzw. in den Bohrungen der Stützbleche 32
nicht zuviel Spiel hat, darf der äußere Durchmesser der struk
turierten Bereiche 2 nicht größer als der äußere Durchmesser
der glatten Bereiche 1a und 1b sein. Andererseits sollte der
Innendurchmesser des Rohrs 30 im strukturierten Bereich 2
möglichst groß sein, um den Druckabfall des rohrseitig strö
menden Mediums gering zu halten. Bei gegebenem Strukturtyp
stehen Außen- und Innendurchmesser des Rohres 30 im struktu
rierten Bereich 2 zueinander in Relation, so daß auch der
Außendurchmesser des Rohres 30 im strukturierten Bereich 2
möglichst groß gewählt werden sollte. Folglich ist es zweck
mäßig, den Außendurchmesser im strukturierten Bereich 2 nahezu
gleich dem Außendurchmesser der glatten Rohrbereiche 1a und 1b
zu wählen.
Um die Materialkosten derartiger Rohre zu senken, muß bei
gegebenem Rohrdurchmesser das Metergewicht (= Rohrgewicht pro
Längeneinheit) der Rohre reduziert werden. Da die Mindestwand
dicke durch Sicherheitsanforderungen limitiert ist, kann eine
Reduzierung des Metergewichts nur durch eine Reduzierung des
Gewichts der Struktur erreicht werden. Ein Vergrößern der
Wärmeübertragungsfläche durch Strukturierung bei gleichzeiti
ger Minimierung des Strukturgewichts erfordert eine sehr
feine, filigrane Struktur.
Die Verwendung von beidseitig strukturierten Rohren ist Stand
der Technik in einigen Teilen der Industrie (z. B. bei Kalt
wassersätzen). Viele dieser Rohre basieren auf Rippenrohren,
wobei die Rippenspitzen durch Kerben und Einglätten modifi
ziert wurden. Üblicherweise werden derartige Rohre mit einem
Walzvorgang hergestellt: Walzscheiben mit bestimmter Profil
form werden mit ansteigendem Durchmesser auf einer oder mehre
ren Werkzeugwellen aufgebaut. Diese Werkzeugwellen werden
gleichmäßig um den Umfang des zu bearbeitenden Rohres herum
angeordnet. Werden die schräg angestellten, rotierenden Walz
wellen auf das glatte Rohr zugestellt, dann dringen die rotie
renden Walzscheiben in die Rohrwand ein, versetzen das Rohr in
Rotation, schieben es entsprechend ihrer Schrägstellung in
Axialrichtung vor und formen schraubenlinienartige Rippen aus
der Rohrwand heraus. Dieser Vorgang ist einem Gewindewalz
vorgang ähnlich. Beispiele für diese Technologie sind in
US-2 868 046, US-3 327 512, US-3 383 893, US-3 481 394 dar
gestellt.
Während des Walzvorganges wird das Rohr durch einen im Rohr
liegenden Dorn abgestützt, der die radialen Kräfte aufnimmt.
Zur Erzeugung einer inneren Struktur werden profilierte Dorne
mit helixartigen Nuten verwendet (DE 23 03 172 C2). Da die
innere Struktur des Rohres durch die Profilform des Dorns
bestimmt wird, kann sie weitgehend unabhängig von der Geome
trie der äußeren Berippung ausgebildet werden. Damit ist es
möglich, Außen- und Innenstruktur unabhängig von einander dem
Anwendungszweck optimal anzupassen. Der Dorn muß mit einer
bestimmten Geschwindigkeit rotieren, um sich aus der Innen
struktur selbst wieder herauszuschrauben. Dies erzeugt hohe
Reibungskräfte zwischen Dorn und Rohr, die durch die Walz
scheiben aufgebracht werden müssen, um den Vorschub des Rohres
in Axialrichtung zu bewirken. Ein erheblicher Anteil dieser
Reibungskräfte ist parallel zur Rohrachse 33 gerichtet und
damit auch nahezu parallel zur Achse der Walzscheiben.
Es ist bekannt, daß es für bestimmte Anwendungen (z. B. Kälte
mittelverdampfer und -verflüssiger) vorteilhaft ist, Struktu
ren mit kleinen Rippenteilungen zu verwenden, um eine Steige
rung der Wärmeübertragungsleistung zu erreichen. In der Ver
gangenheit wurden Rippenteilungen von 1,35 mm (19 Rippen pro
Zoll) verwendet. Heutzutage sind Rippenrohre mit Rippentei
lungen von ungefähr 0,40 mm kommerziell erhältlich (US-
5 697 430 und DE-197 57 526). EP-0 701 100 A1 zeigt auf, daß
der Trend sogar zu noch feineren Teilungen (0,25 mm) geht.
Feinere Rippenteilungen erfordern dünnere Walzscheiben, was
bei gleichbleibender Biegewechselbelastung eine erhöhte Bruch
gefahr sowie größere Verschleißanfälligkeit des Werkzeugs mit
sich bringt. Die Werkzeugstandzeiten werden damit immer kriti
scher, und häufige Produktionsunterbrechungen wegen Werk
zeugwechsel sind die Folge. Ferner nimmt die Produktions
geschwindigkeit der Walzmaschinen mit kleiner werdender Rip
penteilung ab. Gleichzeitig werden aufgrund des weltweiten
Wettbewerbs die Produktionskosten zu einem entscheidenden
Faktor für den wirtschaftlichen Erfolg bei der Herstellung von
strukturierten Rohren.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein fein
strukturiertes Rohr zu fertigen, das sowohl auf der Außen- als
auch auf der Innenseite einen großen Oberflächenzuwachs be
sitzt sowie über ein geringes Strukturgewicht verfügt. Die
Geometrien von Außen- und Innenstruktur sollen unabhängig von
einander anpaßbar sein. Das Rohr muß mit hoher Geschwindig
keit, mit einfachen Werkzeugen und geringem Werkzeugverschleiß
hergestellt werden können. Glatte Enden und Zwischenstücke
sollen ohne Mehraufwand herstellbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch beidseitig strukturier
te Wärmeaustauscherrohre gelöst, die auf der Außenseite Ver
tiefungen und auf der Innenseite Rippen besitzen, und zwar
nach einer ersten Ausführungsform durch ein Wärmeaustauscher
rohr mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und nach einer zweiten
Ausführungsform durch ein Wärmeaustauscherrohr mit den Merkma
len des nebengeordneten Anspruchs 2.
Die Ansprüche 3 bis 7 betreffen vorteilhafte Bereiche für
Abmessungen der Vertiefungen bzw. eine vorteilhafte Quer
schnittsform der Innenrippen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren gemäß
zweier Varianten nach den Ansprüchen 13 und 14 zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohre.
Die verendeten Strukturierungswerkzeuge können so eingestellt
werden, daß sie sowohl fluchtende, kontinuierliche Nuten als
auch nicht fluchtende, voneinander beabstandete Vertiefungen
erzeugen.
Durch Verwendung zusätzlicher Werkzeuge können die Vertiefun
gen modifiziert werden, so daß sekundäre Strukturen an den
Flanken oder am Grund der Vertiefungen oder an den Stegen
zwischen den Vertiefungen entstehen. Je nach Anwendung können
diese sekundären Strukturen die thermische Leistung von Rohren
beträchtlich steigern. Dies erfolgt im Wesentlichen durch die
Ausnutzung von Oberflächenspannungseffekten.
Für Verflüssigerrohre ist es günstig, Strukturen zu erzeugen,
die konvexe Kanten und im Wesentlichen in Umfangsrichtung
verlaufende Kanäle besitzen. Diese Kanäle ermöglichen den
Abfluß von Kondensat, das auf dem Rohr selbst oder auf den
darüber liegenden Rohren des Rohrbündels entsteht (Ansprüche
8 bis 11, 15/16).
Für Rohre, die in überfluteten Verdampfern oder Sprühverdamp
fern eingesetzt werden, ist es vorteilhaft, hinterschnittene
Strukturen zu erzeugen, indem die oberen Bereiche der Vertie
fungen teilweise verschlossen werden. Dies wird erfindungs
gemäß durch zusätzliche Glättungswerkzeuge, die hinter dem
eigentlichen Strukturierungswerkzeug auf der Werkzeugwelle
angeordnet sind, erreicht (Ansprüche 12/17).
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Wärmeaustauscherrohr 1 mit
einem glatten Ende 1a, einem Übergangsbereich, in
dem die äußere Struktur beginnt, und einem struktu
rierten Bereich 2, wobei die Vertiefungen 3 als
kontinuierliche, fluchtende Nuten geformt sind;
Fig. 4 eine detaillierte Ansicht einer einzelnen Vertiefung
3, wobei der Flankenwinkel δ der Vertiefung 3 rela
tiv zur Symmetriefläche der Vertiefung 3 gemessen
wird;
Fig. 5 einen Schnitt durch die Vertiefung 3 senkrecht zur
Längsrichtung der Vertiefung 3;
Fig. 6 das auf einer Werkzeugwelle 14 montierte Rollprofil
werkzeug 10 zur Erzeugung der in Fig. 3 gezeigten
Außenstruktur;
Fig. 7 schematisch den Strukturierungsprozeß;
Fig. 8 schematisch ein Rohrstück mit einem glatten Ende 1a,
einem Übergangsbereich, in dem die äußere Struktur
beginnt, und einem strukturierten Bereich 2, wobei
die Vertiefungen 7 beabstandet sind, so daß sie
einzelne, nicht fluchtende Vertiefungen 7 bilden;
Fig. 9 eine vergrößerte Ansicht von sechs beabstandeten,
nicht-fluchtenden Vertiefungen 7;
Fig. 10 eine Detailansicht einer Vertiefung 3 mit sekundären
Nuten 8 in den Stegen 20, wobei die sekundären Nuten
8 quer zu den primär geformten Vertiefungen 3 an
geordnet sind;
Fig. 11 eine Gesamtansicht des Werkzeugaufbaus zur Herstel
lung der Außenstruktur, die in Fig. 10 dargestellt
ist;
Fig. 12 eine Detailansicht eines strukturierten Rohres 1,
bei dem die Enden 9 der Stege 20 eingeglättet wur
den, um hohlraumartige Kanäle unter der Außenober
fläche zu erzeugen;
Fig. 13 eine Gesamtansicht des Werkzeugaufbaus zur Herstel
lung der Außenstruktur, die in Fig. 12 gezeigt ist.
Ein einstückiges, metallisches Wärmeaustauscherrohr 1 gemäß
Fig. 3 besitzt glatte Enden 1a und mindestens einen struktu
rierten Bereich 2 auf der Rohraußen- und Innenseite (ein
glattes Ende 1a und evtl. glatte Zwischenbereiche 1b sind
nicht dargestellt). Die Struktur 2 besteht aus fluchtenden,
kontinuierlichen Vertiefungen 3, die schraubenlinienartig um
das Rohr 1 verlaufen. Die Anfänge 6 der Vertiefungen 3 befin
den sich auf Linien, die um den Schrägstellungswinkel α gegen
über der Rohrumfangsrichtung geneigt sind. Die Vertiefungen 3
wurden in die Rohraußenseite geformt, indem ein oder mehrere
rotierende Rollprofilwerkzeuge 10 in die Rohrwand 4 gepreßt
werden und das so verdrängte Material der Rohrwand 4 radial
nach innen gedrückt wird. Hierdurch nimmt der Innendurchmesser
des Rohres 1 ab. Die kontinuierlich fortlaufenden Vertiefungen
3 entstehen durch sukzessives Aneinanderreihen endlich ausge
dehnter, zueinander fluchtend angeordneter Einzelvertiefungen,
die von den Rollprofilwerkzeugen 10 geformt werden. Der Außen
durchmesser des Rohrs 1 darf im strukturierten Bereich 2 nicht
größer sein als in den glatten Bereichen (Enden 1a, Zwischen
bereiche 1b).
Das in Fig. 3 dargestellte Rohr 1 besitzt zur Verbesserung des
rohrseitigen Wärmeübergangs auf seiner Innenseite zusätzlich
schraubenlinienartig umlaufende, trapezförmige Rippen 5, die
ebenfalls aus dem Material der Rohrwand 4 geformt wurden. Der
Helixwinkel ε der Rippen 5 wird gegen die Rohrachse 33 gemes
sen und liegt üblicherweise zwischen 10° und 50°. Die Höhe H
der Rippen 5 kann bis zu 0,60 mm betragen. Größere Rippenhöhen
sind fertigungstechnisch schwierig zu beherrschen. Mit einer
derartigen Innenstruktur wird ein Flächenzuwachs von bis zu
100% gegenüber einem innen glatten Rohr erzielt. Unabhängig
von der Art der Innenstruktur ist im allgemeinen ein Flächen
zuwachs von mindestens 20% gegenüber einem innen glatten Rohr
für eine deutliche Steigerung des rohrseitigen Wärmeübergangs
erforderlich.
Fig. 4 zeigt eine Detailansicht einer einzelnen kontinuierli
chen Vertiefung 3. Die Vertiefungen 3 haben einen im wesentli
chen trapezförmigen Querschnitt. Die unbearbeiteten Abschnitte
20 zwischen den Vertiefungen 3 werden Stege genannt. Der
Rohraußendurchmesser - gemessen über diese Stege 20 - ist
üblicherweise nahezu gleich dem Außendurchmesser der glatten
Bereiche 1a, 1b. Der Grund der Vertiefung 3 kann eine eckige,
runde, gekrümmte oder eine anderweitige Form haben. Diese Form
wird durch die Form der Erhebungen 13 des Rollprofilwerkzeugs
10 bestimmt. Die Form kann dahingehend optimiert werden, daß
der Umformprozeß ähnlich der Abrollbewegung von formoptimier
ten Zahnrädern abläuft. Der Flankenwinkel δ der Vertiefung 3
wird, wie in Fig. 4 dargestellt, gegen die Symmetriefläche der
Vertiefung 3 gemessen.
In Fig. 5 ist ein Schnittbild der Vertiefungen 3 senkrecht zur
Längsrichtung der Vertiefung 3 dargestellt. Die Abmessungen
der Vertiefungen 3 sollen so gewählt werden, daß eine mög
lichst große Außenoberflächen erzielt wird. Insbesondere
sollte der Flankenwinkel δ möglichst klein sein, die Tiefe T
der Vertiefungen 3 und die Anzahl der Vertiefungen 3 am Umfang
sollten möglichst groß sein. Eine Tiefe T von 0,4 mm bis 1,5 mm
ist erreichbar. Der bevorzugte Bereich für den Flankenwin
kel δ ist zwischen 7° und 25°. Die Teilung P der Vertiefungen
3 wird senkrecht zur Symmetriefläche gemessen und beträgt
vorzugsweise 0,25 mm bis 2,2 mm. Die Weite W der Vertiefungen
3 wird auf halber Tiefe T gemessen. Die Weite W beträgt 60%
bis 80% der Teilung P. Folglich ist das Volumen der Vertiefun
gen 3 größer als das Volumen der Stege 20, was ein geringes
Strukturgewicht bewirkt.
Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines Rollprofilwerkzeugs 10,
das auf eine Werkzeugwelle 14 montiert ist und zur Herstellung
von fluchtenden, kontinuierlichen Nuten ausgelegt ist. Das
Rollprofilwerkzeug 10 besitzt auf seinem Umfang eine Anzahl
von regelmäßigen, trapezförmigen Erhebungen 13 ähnlich einem
Zahnrad. Die Erhebungen 13 verlaufen helixartig mit einem
Drallwinkel β gemessen gegen die Achse des Werkzeugs 10. Um
den Werkzeugverschleiß in der vorderen Bearbeitungszone des
Werkzeugs 10 gering zu halten ist es vorteilhaft, das Roll
profilwerkzeug 10 teilweise mit einem Konus 11 zu versehen.
Ferner kann es günstig sein, den strukturierten Konus 11 des
Rollprofilwerkzeugs 10 um einen glatten konischen Bereich zu
ergänzen. Der zylindrische Teil 12 des Rollprofilwerkzeugs 10
besitzt die Dicke s. Üblicherweise besitzen die Produktions
maschinen drei oder vier Werkzeugwellen 14, die wie ein
gleichseitiges Drei- bzw. Viereck gleichmäßig um den Rohr
umfang herum angeordnet sind. Während des Bearbeitungsvorgangs
sind die Werkzeugwellen 14 gegenüber der Rohrachse 33 schräg
angestellt. Der Schrägstellungswinkel α ist inhärenterweise
gleich dem Winkel α, den die Linien, auf denen die Anfänge 6
der Vertiefungen 3 liegen, mit der Umfangsrichtung des Rohres
einschließen, wie der Fig. 3 zu entnehmen ist.
Der Strukturierungsprozeß ist schematisch in Fig. 7 gezeigt.
Rohr und Rollprofilwerkzeug 10 sind hierbei im Längsschnitt
dargestellt. Als Ausgangsrohr wird ein Glattrohr 1' durch das
rotierende Rollprofilwerkzeug 10 in Rotation versetzt und
entsprechend der Schrägstellung des Werkzeugs in Axialrichtung
vorgeschoben. Die Bewegungsrichtung des Rohres in
Axialrichtung ist durch einen Pfeil angedeutet. Wenn das
Glattrohr 1' in die Umformzone unter dem Rollprofilwerkzeug 10
tritt, werden Vertiefungen 3 auf der Rohraußenseite geformt
und der Innendurchmesser reduziert. Das Material der Rohrwand
4 wird auf den innenliegenden, strukturierten Dorn 15 gepreßt.
Der Dorn 15 ist drehbar gelagert, um sich der Rotation des
Rohres anzupassen. Im strukturierten Bereich 2 ist die ver
bleibende Wanddicke des Rohrs 1 (gemessen zwischen Außen- und
Innenstruktur) notwendigerweise kleiner als die Wanddicke des
Glattrohrs 1', da sowohl die Innen- als auch Außenstruktur aus
dem Wandungsmaterial des Glattrohrs 1' geformt werden.
Es muß sichergestellt werden, daß die von jedem Rollprofil
werkzeug 10 geformten Einzelvertiefungen zu einander fluchtend
angeordnet sind, um durch sukzessives Aneinanderreihen endlich
ausgedehnter Einzelvertiefungen kontinuierlich fortlaufende
Vertiefungen 3 zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem der
Schrägstellungswinkel α auf die Teilung P der Vertiefungen 3,
die Anzahl nR der Vertiefungen 3 am Rohrumfang, den Kerndurch
messer Dcore des Rohrs 1 (gemessen am Grund der Vertiefungen 3)
und den Drallwinkel β des Rollprofilwerkzeugs 10 gemäß der
folgenden Gleichung abgestimmt wird:
Ferner muß die Dicke s des zylindrischen Teils 12 des Roll
profilwerkzeugs 10 folgendes Mindestmaß besitzen, damit die
Vertiefungen 3 ohne Unterbrechung fortlaufen:
m ist hierbei die Anzahl der um das Rohr herum angeordneten
Walzwellen 14.
Der Steigungswinkel γ der Vertiefungen 3 wird gegen die Rohr
achse 33 gemessen und ist gleich der Summe des Schrägstel
lungswinkels α und des Drallwinkels β des Rollprofilwerkzeugs,
wie in Fig. 3 dargestellt ist. γ liegt im Bereich zwischen 0°
und 70°.
Um die Geschwindigkeit des Strukturierungsprozesses zu maxi
mieren ist es günstig, den Schrägstellungswinkel α des Werk
zeugs 10 möglichst groß zu wählen. Um der oben genannten
Gleichung Gl. 1 zu genügen, kann bei gegebener Strukturgeome
trie der Drallwinkel β des Rollprofilwerkzeugs 10 angepaßt
werden. In der Praxis können bei Anwendung des beschriebenen
Verfahren Schrägstellungswinkel α zwischen 5° und 15° erreicht
werden. Größere Schrägstellungswinkel würden noch höhere
Produktionsgeschwindigkeiten zulassen. Strukturierte Rohre,
die gemäß US-5 697 430 oder DE-197 57 526 nach dem herkömm
lichen Berippungsverfahren hergestellt werden, benötigen bei
einer Rippenteilung von ca. 0,4 mm je nach Anzahl der einge
setzten Werkzeugwellen 14 und je nach Rohrdurchmesser typi
scherweise Schrägstellungswinkel α zwischen 1,5° und 2,5°.
Dies zeigt den Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellverfah
rens bezüglich Produktionsgeschwindigkeit.
Glatte Zwischenbereiche 1b können wahlweise erzeugt werden,
indem die Rollprofilwerkzeuge 10 außer Eingriff mit dem Glatt
rohr 1' gebracht werden (vgl. beispielsweise DE-A 1.452.247).
Fig. 8 zeigt schematisch eine Darstellung eines erfindungs
gemäß strukturierten Rohres 1 mit voneinander beabstandeten,
nicht-fluchtenden Vertiefungen 7. Die Vertiefungen 7 besitzen
die Länge L. Es ist der Übergangsbereich zwischen glattem Ende
1a und strukturiertem Bereich 2 dargestellt. Die Vertiefungen
7 ordnen sich in separierten Reihen an, die schraubenlinien
artig um das Rohr 1 laufen. Eine derartige Reihe wird "Spur"
genannt. Jedes um das Rohr 1 angeordnete Rollprofilwerkzeug 10
formt eine eigene Spur. Um den Oberflächengewinn zu maximie
ren, sollten benachbarte Spuren so eng wie möglich angeordnet
sein.
Die in Fig. 8 dargestellten, beabstandeten Vertiefungen 7
werden geformt, indem ein Rollprofilwerkzeug 10 ohne konischen
Teil 11 verwendet wird. Das Rollprofilwerkzeug 10 besteht nur
aus einem zylindrischen Teil 12 der Dicke s. Die endliche
Länge L der beabstandeten Vertiefungen 7 hängt von der Dicke
s des Rollprofilwerkzeugs 10 und dem Drallwinkel β der Erhe
bungen 13 auf dem Rollprofilwerkzeug 10 wie folgt ab:
L = s/cosβ (Gl. 3)
Um zu verhindern, daß sich die Spuren der einzelnen Roll
profilwerkzeuge 10 überschneiden, muß der Schrägstellungs
winkel α geeignet gewählt werden:
wobei m die Anzahl der um das Rohr 1 angeordneten Werkzeugwel
len 14 und Dcore der Kerndurchmesser des Rohres 1 ist. Falls der
Schrägstellungswinkel α aus konstruktiven Gründen nach oben
beschränkt ist, wird die maximale Dicke des Rollprofilwerk
zeugs 10 durch folgende Gleichung bestimmt:
Fig. 9 zeigt eine vergrößerte Ansicht der beabstandeten,
nicht-fluchtenden Vertiefungen 7 von Fig. 8. Benachbarte
Vertiefungen 7 einer Spur sind durch Stege 20 getrennt. Ein
dünner Rohrabschnitt 21 zwischen benachbarten Spuren bleibt
unverformt. Über die unverformten Abschnitte 21 und Stege 20
gemessen besitzt das Rohr 1 nahezu den gleichen Außendurch
messer wie die glatten Bereiche 1a, 1b. Die Vertiefungen 7
haben im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt. Der Grund
der Vertiefung 7 kann eine eckige, runde, gekrümmte oder eine
anderweitige Form haben. Diese Form wird durch die Form der
Erhebungen 13 des Rollprofilwerkzeugs 10 bestimmt.
Das Schnittbild der beabstandeten Vertiefungen 7 ist mit dem
Schnittbild der fluchtenden, kontinuierlichen Vertiefungen 3,
das in Fig. 5 dargestellt ist, identisch. Für die geometri
schen Abmessungen der Vertiefungen 7 gilt im Fall der be
abstandeten Vertiefungen 7 dasselbe wie im Fall der fluchten
den, kontinuierlichen Vertiefungen 3. Insbesondere gelten die
Beziehungen, die im Zusammenhang mit Fig. 5 genannt wurden.
Damit ergeben sich in beiden Fällen ähnlich günstige Eigen
schaften des Rohres 1 bezüglich Oberflächengewinn und Struk
turgewicht.
Die Übertragungsleistung des erfindungsgemäßen Wärmeaustau
scherrohres 1 kann weiter gesteigert werden, indem man Ober
flächenspannungseffekte ausnutzt. Es ist bekannt, daß bei
Rohren für Verflüssiger konvexe Kanten zur Verdünnung des
Kondensatfilms führen. Die Dichte der konvexen Kanten wird
durch sekundäre Nuten 8, die im wesentlichen quer zu den
primär geformten Vertiefungen 3, 7 eingeprägt sind, beträcht
lich erhöht. Eine so modifizierte Struktur ist in Fig. 10
vergrößert dargestellt. Das durch das Einprägen der sekundären
Nuten 8 verdrängte Material des Stegs 20 bildet Auskragungen
22, die im wesentlichen quer zu den primär geformten Vertie
fungen 3, 7 angeordnet sind. Die Ränder 23 dieser Auskragungen
22 stellen einen Teil der gewünschten, zusätzlichen konvexen
Kanten dar. Der zur Struktur von Fig. 10 gehörende Werkzeug
aufbau ist in Fig. 11 gezeigt und besteht aus einem primären
Rollprofilwerkzeug 10 und einer sekundären Kerbscheibe 16, die
voneinander beabstandet auf der Werkzeugwellen 14 angeordnet
sind. Die sekundäre Kerbscheibe 16 besitzt auf ihrem Umfang
eine Anzahl von regelmäßigen Erhebungen 17 ähnlich einem
Zahnrad. Die Erhebungen 17 verlaufen helixartig mit einem
Drallwinkel β' gemessen gegen die Achse der Kerbscheibe 16.
Die Tiefe E der sekundären Nuten 8 sollte 20% bis 80% der
Tiefe T der primären Vertiefungen 3, 7 betragen, dementspre
chend ist der Durchmesser der Kerbscheibe 16 kleiner zu wählen
als der Durchmesser des Rollprofilwerkzeugs 10. Die Teilung
sollte K = 0,25 bis 2,2 mm betragen. Der Winkel ϕ, den die
primären Vertiefungen 3, 7 mit den sekundären Nuten 8 ein
schließen, wird durch den Drallwinkel β der Erhebungen 12 des
Rollprofilwerkzeugs 10 und den Drallwinkel β' der Erhebungen
17 der Kerbscheibe 16 festgelegt. ϕ kann zwischen 20° und 160°
betragen.
Es ist ein inhärenter Vorteil der Erfindung, daß der Haupt
umformschritt, bei dem - wie in Fig. 7 dargestellt - die
primäre Außenstruktur und die Innenstruktur gleichzeitig
gebildet werden, durch ein relativ grobes Rollprofilwerkzeug
10 ausgeführt werden kann. Die sekundäre Struktur, die übli
cherweise sehr viel feiner als die primäre ist, wird nicht aus
der Rohrwand 4 geformt, sondern nur aus den Stegen 20. Dies
bedeutet, daß die Menge des im Feinstrukturierungsschritt
umzuformenden Materials sehr viel geringer ist als bei her
kömmlichen Herstellungsverfahren, bei denen feine Rippen mit
feinen Werkzeugen direkt aus der massiven Rohrwand geformt
werden. Dies wirkt sich günstig auf die Lebensdauer des Werk
zeugs aus.
Man erhält eine abgewandelte Struktur, wenn man die sekundären
Nuten 8 mittels einer Anzahl von dünnen Walzscheiben (nicht
dargestellt) konstanten Durchmessers erzeugt, wobei die Walz
scheiben als Paket anstelle der sekundären Kerbscheibe 16 nach
dem Rollprofilwerkzeug 10 auf der Werkzeugwelle 14 aufgebaut
werden. 1n diesem Fall ist die Richtung der sekundären Nuten
8 parallel zur Senkrechten auf die Achse der Werkzeugwelle
14. Da der Schrägstellungswinkel α ungefähr 10° ist, sind
diese sekundären Nuten 8 somit nur um diesen relativ geringen
Winkelbetrag gegenüber der Senkrechten zur Rohrachse 33 ge
neigt. Bei einer horizontalen Rohranordnung haben derartige
sekundäre Nuten 8 den Vorteil, daß von oben herabtropfendes
Kondensat wie in nahezu senkrechten Kanälen gut nach unten
abgeleitet wird.
Es ist bekannt, daß der Vorgang des Blasensiedens deutlich
intensiviert werden kann, wenn hinterschnittene, kavernen
artigen Strukturen auf der Rohroberfläche gebildet werden.
Diese Kavernen oder auch Tunnel sind durch Öffnungen oder
Poren mit dem umgebenden Fluid verbunden ("hinterschnitten"
bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Öffnung der Kavernen
kleiner ist als der darunter liegende Hohlraum). Der wesentli
che Teil der Verdampfung findet in diesen Kavernen oder Tun
neln statt. Flüssigkeit dringt durch die Poren in die Hohlräu
me ein. Der erzeugte Dampf entweicht durch die Poren.
Hinterschnittene Kavernen bzw. Tunnels werden erfindungsgemäß
durch teilweises Verschließen des oberen Bereichs der Vertie
fungen 3, 7 erzeugt. Die unter der äußeren Oberfläche liegen
den Hohlräume sind dann durch Öffnungen oder Poren mit dem
umgebenden Fluid verbunden.
Fig. 12 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt
eines strukturiertes Rohrs 1, bei dem die Enden 9 von benach
barten, mit sekundären Nuten 8 versehenen Stegen 20 eingeglät
tet wurden. Die eingeglätteten Enden 9 bilden einen teilweise
geschlossenen Deckel über der Vertiefung 3. Auf diese Weise
wird ein System von unter der äußeren Rohroberfläche liegenden
Hohlräumen, die mit der Umgebung durch schmale Öffnungen 24
verbunden sind, erzeugt. Es ist vorteilhaft, für die sekundä
ren Nuten 8 eine feinere Teilung zu verwenden als für die
primären Vertiefungen. Fig. 13 zeigt einen Werkzeugaufbau zur
Herstellung derartiger Strukturen. Eine zylindrische Glätt
scheibe 18 konstanten Durchmessers ist auf der Werkzeugwelle
14 hinter der Kerbscheibe 16 angeordnet. Der Durchmesser der
Glättscheibe 18 ist kleiner als der Durchmesser des Roll
profilwerkzeugs 10.
Ähnliche Strukturen erhält man durch teilweises Verschließen
von nicht-fluchtenden, voneinander beabstandeten Vertiefungen
7.
Das Verschließen der Vertiefungen 3, 7 bewirkt eine Reduktion
des äußeren Rohrdurchmessers. Dies kann jedoch kontrolliert
werden, indem der primäre Strukturierungsschritt so gesteuert
wird, daß nicht alles auf der Rohraußenseite verdrängte Mate
rial auf der Innenseite des Rohres zur Bildung der Innen
struktur benötigt werden kann. Hierzu wird ein Rollprofil
werkzeug 10 mit großer Verdrängung sowie ein profilierter Dorn
15 mit schmalen Nuten verwendet. Ferner muß der Durchmesser
des Dorns geeignet gewählt werden. Die Stege 20 zwischen den
Vertiefungen 3, 7 werden dann in Radialrichtung nach außen
herausgeformt, was verglichen mit dem Glattrohr 1' zwischen
zeitlich einen größeren Rohrdurchmesser in diesem Rohrbereich
ergibt. Anschließend werden die sekundären Nuten 8 geformt und
die resultierenden Enden 9 der Stege 20 werden eingeglättet,
um die Vertiefungen 3, 7 teilweise zu verschließen. Werden die
Verfahrensparameter wie dargestellt gewählt werden, dann kann
der endgültige Außendurchmesser im strukturierten Bereich 2
kleiner oder gleich dem Außendurchmesser an den unbearbeite
ten, glatten Enden 1a sein.
Die vorangegangenen Abschnitte zeigen die große Flexibilität
der vorgeschlagenen Technik, um wärmeübergangssteigernde
Strukturen auf Rohroberflächen herzustellen. Das Verfahren
kann sowohl auf nahtlose, gezogene Rohre wie auch auf ge
schweißte Rohre, die aus eingeformten Metallbändern gefertigt
wurden, angewendet werden. Die vorgeschlagenen Rohre und
Verfahren basieren aber immer auf der Strukturierung von
Rohren und nicht von Bändern.
Gemäß dem beschriebenen Verfahren wurden beidseitig struktu
rierte Kupferrohre 1 mit einem Kerndurchmesser Dcore von 17,80 mm
hergestellt. Die Außenstruktur besteht aus 36 fluchtenden,
kontinuierlichen Vertiefungen 3. Dem Rollprofilwerkzeug 10
lagen folgende geometrischen Daten zugrunde:
Flankenwinkel δ: | 10° |
Drallwinkel β: | 57° |
Teilung P: | 0,67 mm |
Weite W: | 0,40 mm |
Der Schrägstellungswinkel α der Walzwellen 14 mußte auf 7,5°
eingestellt werden. Entsprechend ergibt sich der Steigungs
winkel γ der Nuten zu 64,5°. Die Tiefe T der Vertiefungen 3
beträgt 0,7 mm. Die Innenstruktur besteht aus 41 trapezförmi
gen Rippen 5, die unter einem Steigungswinkel ε von 45°
schraubenlinienartig umlaufen. Die Höhe H der Innenrippen 5
beträgt 0,35 mm. Die sekundären Nuten 8 wurden mit einem Paket
aus Walzscheiben der Teilung 0,35 mm hergestellt. Die so
erzeugte Rohrstruktur zeigt bei Verflüssigung des Kältemittels
R-134a auf der Außenseite und Kühlwasserströmung auf der
Rohrinnenseite gute Wärmeübertragungseigenschaften. Abhängig
von den physikalischen Eigenschaften des Fluids sollte die
Teilung K der sekundären Nuten 8 zwischen 0,25 mm und 2,2 mm
liegen.
Claims (17)
1. Wärmeaustauscherrohr (1) mit wahlweise glatten Enden
(1a), mindestens einem strukturierten Bereich (2) auf der
Rohraußen- und Rohrinnenseite und wahlweise glatten Zwi
schenbereichen (1b), wobei der Außendurchmesser des
strukturierten Bereichs (2) nicht größer ist als der
Außendurchmesser der glatten Enden (1a) bzw. der glatten
Zwischenbereiche (1b), das folgende Merkmale aufweist:
- a) auf der Rohraußenseite laufen Vertiefungen (3) mit im wesentlichen trapezförmigem Querschnitt schrau benlinienförmig unter einem Steigungswinkel γ = 0° bis 70° um (gemessen gegen die Rohrachse (33));
- b) die Teilung P der Vertiefungen (3) beträgt P = 0,25 bis 2,2 mm (gemessen senkrecht zu deren Symmetrie fläche);
- c) die Breite W der Vertiefungen (3) beträgt W = 0,6 P bis 0,8 P (gemessen bei der halben Tiefe T der Ver tiefungen (3));
- d) der Flankenwinkel δ der Vertiefungen (3) beträgt δ = 7° bis 25° (gemessen gegen deren Symmetriefläche);
- e) auf der Rohrinnenseite laufen Rippen (5) mit einer Höhe H = 0,15 bis 0,60 mm schraubenlinienförmig unter einem Steigungswinkel ε = 10° bis 50° um (ge messen gegen die Rohrachse (33)).
2. Wärmeaustauscherrohr (1) mit wahlweise glatten Enden
(1a), mindestens einem strukturierten Bereich (2) auf der
Rohraußen- und Rohrinnenseite und wahlweise glatten Zwi
schenbereichen (1b), wobei der Außendurchmesser des
strukturierten Bereichs (2) nicht größer ist als der
Außendurchmesser der glatten Enden (1a) bzw. der glatten
Zwischenbereiche (1b), das folgende Merkmale aufweist:
- a) auf der Rohraußenseite sind voneinander beabstandete Vertiefungen (7) im wesentlichen trapezförmigen Querschnitts mit einer Länge L von maximal 10% des Rohrumfangs unter einem Steigungswinkel γ = 0° bis 70° zur Rohrachse (33) geneigt;
- b) die Teilung P der Vertiefungen (7) beträgt P = 0,25 bis 2,2 mm (gemessen senkrecht zu deren Symmetrie fläche);
- c) die Breite W der Vertiefungen (7) beträgt W = 0,6 P bis 0,8 P (gemessen bei der halben Tiefe T der Ver tiefungen (7));
- d) der Flankenwinkel δ der Vertiefungen (7) beträgt δ = 7° bis 25° (gemessen gegen deren Symmetriefläche);
- e) auf der Rohrinnenseite laufen Rippen (5) mit einer Höhe H = 0,15 bis 0,60 mm schraubenlinienförmig unter einem Steigungswinkel ε = 10° bis 50° um (ge messen gegen die Rohrachse (33)).
3. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet,
daß die Länge L der beabstandeten Vertiefungen (7) L =
1 bis 4 mm beträgt.
4. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Tiefe T der Vertiefungen (3, 7) T = 0,4 bis 1,5 mm
beträgt.
5. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprü
che 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Steigungswinkel γ der Vertiefungen (3, 7) γ = 15°
bis 60° beträgt.
6. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprü
che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Flankenwinkel δ der Vertiefungen (3, 7) δ = 9°
bis 15° beträgt.
7. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprü
che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rippen (5) auf der Rohrinnenseite einen im we
sentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
8. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprü
che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Rohraußenseite quer zu den Vertiefungen (3,
7) unter einem Kerbwinkel ϕ = 20° bis 160° sekundäre
Nuten (8) verlaufen.
9. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 8, dadurch gekenn
zeichnet,
daß der Kerbwinkel ϕ = 30° bis 150° beträgt.
10. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Tiefe E der sekundären Nuten (8) E = 0,2 T bis
0,8 T der Tiefe der Vertiefungen (3, 7) beträgt.
11. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprü
che 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilung K der sekundären Nuten (8) K = 0,25 bis
2,2 mm beträgt.
12. Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprü
che 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Enden (9) der zwischen den Vertiefungen (3, 7)
befindlichen Stege (20) geglättet sind.
13. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauscherrohres
(1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 4 bis 7,
bei dem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- a) auf der Außenseite eines Glattrohres (1') werden schraubenlinienförmig verlaufende Vertiefungen (3) geformt, indem Material der Rohrwand (4) mittels zahnradartiger Rollprofilwerkzeuge (10) unter Bil dung auf der Rohrinnenseite schraubenlinienförmig verlaufender Rippen (5) radial nach innen verdrängt wird, wobei
- b) die Rollprofilwerkzeuge (10) um den Rohrumfang an geordnet werden,
- c) Rollprofilwerkzeuge (10) mit zylindrischem Teil (12) verwendet werden, deren trapezförmige Erhebungen (13) unter einem Drallwinkel β helixartig zur Werk zeugachse verlaufen,
- d) die Werkzeugwellen (14) der Rollprofilwerkzeuge (10)
unter einem Schrägstellungswinkel α gegenüber der
Rohrachse (33) schräg gestellt werden, wobei α nach
der folgenden Gleichung ausgewählt wird:
mit:
nR = Anzahl der Vertiefungen (3) am Rohrumfang,
Dcore = Kerndurchmesser des Rohres (1) - gemessen am Grund der Vertiefungen (3); - e) die Dicke s des zylindrischen Teils (12) der Roll
profilwerkzeuge (10) nach der folgenden Gleichung
ausgewählt wird:
mit:
m = Anzahl der um das Rohr (1') angeordneten Werkzeugwellen (14), - f) die in Rotation versetzten Rollprofilwerkzeuge (10) in einer Umformzone mit dem Glattrohr (1') in Ein griff gebracht werden, wodurch das Rohr (1') eben falls rotiert und entsprechend der Schrägstellung der Rollprofilwerkzeuge (10) in Axialrichtung vor geschoben wird, und
- g) die Rohrwand (4) in der Umformzone durch einen im Rohr (1') liegenden, drehbaren, profilierten Dorn (15) abgestützt wird.
14. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauscherrohres
nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, bei dem
folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- a) auf der Außenseite eines Glattrohres (1') werden voneinander beabstandete, gegenüber der Rohrachse (33) geneigte Vertiefungen (7) geformt, indem Mate rial der Rohrwand (4) mittels zahnradartiger Roll profilwerkzeuge (10) unter Bildung auf der Rohrin nenseite schraubenlinienförmig verlaufender Rippen (5) radial nach innen verdrängt wird, wobei
- b) die Rollprofilwerkzeuge (10) um den Rohrumfang an geordnet werden,
- c) zylindrische Rollprofilwerkzeuge (10) verwendet werden, deren trapezförmige Erhebungen (13) unter einem Drallwinkel β helixartig zur Werkzeugachse verlaufen,
- d) die Werkzeugwellen (14) der Rollprofilwerkzeuge (10) unter einem Schrägstellungswinkel α gegenüber der Rohrachse (33) schräg gestellt werden,
- e) die Dicke s der zylindrischen Rollprofilwerkzeuge
(10) nach der folgenden Gleichung ausgewählt wird:
mit:
m = Anzahl der um das Rohr (1') angeordneten Werkzeugwellen (14),
Dcore = Kerndurchmesser des Rohres (1) - gemessen am Grund der Vertiefungen (7); - f) die in Rotation versetzten Rollprofilwerkzeuge (10) in einer Umformzone mit dem Glattrohr (1') in Ein griff gebracht werden, wodurch das Rohr (1') eben falls rotiert und entsprechend der Schrägstellung der Rollprofilwerkzeuge (10) in Axialrichtung vor geschoben wird, und
- g) die Rohrwand (4) in der Umformzone durch einen im Rohr (1') liegenden, drehbaren, profilierten Dorn (15) abgestützt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 zur Herstellung eines
Wärmeaustauscherrohres (1) nach einem oder mehreren der
Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Enden (9) der zwischen den Vertiefungen (3, 7)
befindlichen Stege (20) durch eine zahnradartige Kerb
scheibe (16) abschnittsweise eingedrückt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 zur Herstellung eines
Wärmeaustauscherrohres (1) nach einem oder mehreren der
Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Enden (9) der zwischen den Vertiefungen (3, 7)
befindlichen Stege (20) durch Walzscheiben abschnitts
weise eingedrückt werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, zur Herstellung eines
Wärmeaustauscherrohres (1) nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Enden (9) der Stege (20) durch radialen Druck
mittels einer Glättscheibe (18) verformt werden.
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