DE2405688C3

DE2405688C3 - Method for producing a surface on a heat exchanger wall that promotes the boiling of a liquid

Info

Publication number: DE2405688C3
Application number: DE19742405688
Authority: DE
Inventors: Kimio Kakizaki; Takashi Suzumura
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1974-02-06
Filing date: 1974-02-06
Publication date: 1980-06-19
Also published as: DE2405688A1; DE2405688B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer das Sieden einer Flüssigkeit begünstigenden Oberfläche einer Wärmetauscherwand der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.The invention relates to a method for producing a liquid that promotes boiling Surface of a heat exchanger wall of the type specified in the preamble of claim 1.

Bei sog. Verdampfungs-Wärmetauschern hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die von einer Wärmetauscherflüssigkeit, wie flüssigen Stickstoff, flüssigen Sauerstoff, Alkohol, Wasser o. a., umströmten Oberflächen der Wärmetauscherelemente in besonderer Weise, z. B. durch Aufbringen einer porösen Schicht aus einem Metallpulver oder aber durch Ausbildung von feinen Profilrippen, auszugestalten, um den Wärmeübergang zu verbessern. Zu diesem Zweck werden bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art (US-PS 34 54 081) in die Oberfläche einer Wärmetauscherwand eine Vielzahl feiner, paralleler Furchen und diese unter einem vorgegebenen Winkel kreuzend feine, parallele Nuten mit gegenüber den Furchen gleicher oder kleinerer Tiefe dicht nebeneinander eingearbeitet. Die entsprechende Ausbildung und Anordnung der Nuten bzw. Furchen läßt eine Vielzahl von parallel verlaufenden dünnen Rippen entstehen, deren obere gezackte Kämme durch einen anschließenden Verformungsvorgang über die darunterliegenden Furchen gebogen bzw. verformt werden, so daß durchgehende Strömungskanäle entstehen, die durch eine Vielzahl von feinen Öffnungen mit dem Außenraum verbunden sind. Die Biegeverformung der Kämme hat jedoch einen ungleichförmigen Querschnitt der Strömungskanäle zur Folge, was den Wärmeübergang ungünstig beeinflußt. Darüber hinaus besteht zwischen der gebogenen Stirnkante eines Kammes und der benachbarten Rippenseitenfläche keine feste Verbindung. Aufgrund des in den Strömungskanälen sich aufbauenden Siededruckes kann sich im Laufe der Zeit ein dünner Längsspalt bilden, durch den — zusätzlich zu den Durchgangsöffnungen — eine ständige Strömungsverbindung besteht, die sich ebenfalls ungünstig auf den angestrebt hohen Wärmeübergang auswirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen einer das Sieden einer Flüssigkeit begünstigenden Oberfläche einer Wärmetauscherwand aufzuzeigen, mit dem eine derartige Oberflächenstruktur auf einfache Weise und ohne merkliche BeeinträchtigungIn the case of so-called evaporation heat exchangers, it has proven to be expedient to use a heat exchanger liquid such as liquid nitrogen, liquid oxygen, alcohol, water or the like to flow around surfaces of the heat exchanger elements in a special way, e.g. B. by applying a porous layer of a metal powder or by forming fine profile ribs, to improve the heat transfer. For this purpose, in a known method of the type mentioned (US-PS 34 54 081) in the surface of a heat exchanger wall a plurality of fine, parallel grooves and these at a predetermined angle crossing fine, parallel grooves with the same or smaller depth than the grooves incorporated close together. The corresponding design and arrangement of the grooves or furrows creates a multitude of parallel thin ribs, the upper serrated ridges of which are bent or deformed by a subsequent deformation process over the grooves below, so that continuous flow channels are created through a multitude of fine Openings are connected to the outside space. The bending deformation of the combs, however, results in a non-uniform cross section of the flow channels, which has an unfavorable effect on the heat transfer. In addition, there is no fixed connection between the curved front edge of a comb and the adjacent rib side surface. Due to the boiling pressure that builds up in the flow channels, a thin longitudinal gap can form over time, through which - in addition to the passage openings - there is a constant flow connection, which also has an unfavorable effect on the high heat transfer sought.
The object of the invention is to provide a method for producing a surface of a heat exchanger wall that promotes the boiling of a liquid, with which such a surface structure can be achieved in a simple manner and without noticeable impairment

ίο der Strömungsquerschnitte der erzeugten Kanäle hergestellt werden kann, die gegen Veränderungen unter der Einwirkung des Siededruckes beständig istίο the flow cross-sections of the channels generated can be produced which is resistant to changes under the action of the boiling pressure

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst Durch die erfindungsgemäße Verbindung der freien Enden der gekerbten Rippen mit den jeweils benachbarten Rippen ergeben sich allseitig geschlossene Strömungskanäle, die nur an besonderen Stellen feinste Öffnungen oder Durchbrüche zum Dampf- bzw. Flüssigkeitsaustausch enthalten. Durch die Vielzahl dieser gesonderten Öffnungen entsteht eine Syphon-Wirkung, d. h. die sich bildenden Dampfbläschen steigen innerhalb und längs der Strömungskanäle nach oben und treten durch die obersten Löcher z. B. eines waagerecht verlegten Wärmetauscherrohres in die Flüssigkeit aus, während die Flüssigkeit selbst durch die unteren Löther ungehindert nachströmen kann. Diese Flüssigkcits- und Dampfbläschenströmung führt zu einer deutlich verbesserten Wärmeübergangscharakteristik einer erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauscher-Oberfläche. According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved by the inventive connection of the free ends of the notched ribs with the respective adjacent ribs result in flow channels which are closed on all sides and which only exist at special points Contains the finest openings or breakthroughs for the exchange of vapor or liquid. Because of the multitude These separate openings create a siphon effect, i. H. the vapor bubbles that form rise inside and along the flow channels upwards and pass through the uppermost holes z. B. one horizontally laid heat exchanger tube into the liquid, while the liquid itself through the lower solder can flow unhindered. This flow of liquid and vapor leads to a significantly improved heat transfer characteristic of a heat exchanger surface designed according to the invention.

Das reibende Streichen der freien Enden der gekerbten Kämme der Rippen kann auf technisch besonders einfache und wirkungsvolle Weise durch Bürsten mittels rotierender Drahtbürsten vorgenommen werden.The rubbing brushing of the free ends of the notched crests of the ribs can be technically made particularly simple and effective way by brushing with rotating wire brushes will.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Herstellung einer Wärmetauscherwand beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigtIn the following, the production of a heat exchanger wall according to the invention is exemplified on the basis of FIG Drawing described. It shows

F i g. 1 eine 50fach vergrößerte Ansicht eines gemäß der Erfindung behandelten Wärmetauscherrohres;F i g. 1 is a 50 times enlarged view of a heat exchanger tube treated according to the invention;

F i g. 2 ein Diagramm der Wärmeübergangskennlinien eines glatten Rohres und eines erfindungsgemäß hergestellten Wärmetauscherrohres;F i g. 2 shows a diagram of the heat transfer characteristics of a smooth tube and one according to the invention manufactured heat exchanger tube;

Fig. 3a—c die einzelnen Bearbeitungsstufen zur Herstellung einer Wärmetauscherwand gemäß F i g. 1.3a-c show the individual processing stages for Production of a heat exchanger wall according to FIG. 1.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Wärmetauscherwand bedeuten die dunklen Teile kleine Durchgangslöcher in den oberen Deckwänden von Strömungskanälen. DieseIn the heat exchanger wall shown in Fig. 1, the dark parts mean small through holes in the upper cover walls of flow channels. These

so Wärmetauscherwand ist durch aufeinanderfolgendes Kordeln, Furchenschneiden und Bürsten mittels mehrerer Drahtbürsten hergestellt worden.so heat exchanger wall is through consecutive Cords, furrows and brushes have been made using several wire brushes.

Für die Kordelbearbeitung wurde ein Kordelrad mit einer Vielzahl von schraubenförmigen, eng nebeneinanderliegenden Kordelrippen an einer Seite des Meißelhalters einer Drehbank befestigt und gegen die Oberfläche eines in die Drehbank eingespannten Kupferrohres gepreßt. Durch Drehen des Kupferrohres und Vorschieben des Werkzeughalters entlang der Leitspindel entstanden in der Wandfläche 1 eine Vielzahl feiner schraubenförmiger Nuten 2 in einem Winkel von 45° zur Rohrachse (vgl. Fig. 3a). Diese Nuten hatten vorzugsweise eine Tiefe von etwa 0,05 bis 0,3 mn und einen gegenseitigen Abstand von wenigerFor cord processing, a cord wheel with a large number of helical, closely spaced ones was used Cord ribs attached to one side of the chisel holder of a lathe and against the Pressed surface of a copper pipe clamped in the lathe. By turning the copper pipe and advancing the tool holder along the lead screw resulted in a wall surface 1 Large number of fine helical grooves 2 at an angle of 45 ° to the pipe axis (see. Fig. 3a). These Grooves preferably had a depth of about 0.05 to 0.3 mn and a mutual spacing of less

i>⁵ λ 1 mm.i> ⁵ λ 1 mm.

Anschließend wurden in F i g. 3b dargestellte Furchen 3 in die Wandfläche 1 geschnitten, und zwar durch radiales Anpressen eines Furchenschneiders gegen dasSubsequently, in FIG. 3b shown grooves 3 cut into the wall surface 1, through radial pressing of a furrow cutter against the

sich drehende Kupferrohr unter langsamem Vorschub des Werkzeughalters längs der Leitspindel Die Oberfläche des Kupferrohres wurde <Jabei nicht abgespannt, sondern lediglich verförniL Die eingeschnittenen schraubenförmigen, feinen Furchen 3 kreuzen die Nuten 2 und sind durch eine Vielzahl feiner Rippen 4 voneinander getrennt, die in ihren oberen Enden V-förmige Kerben 5 aufweisen. Die Tiefe der Furchen 3 ist vorzugsweise gleich derjenigen oder größer als diejenige der Nuten 2, und ihr Abstand beträgt weniger als 1 nun.rotating copper pipe with slow advance of the tool holder along the lead screw Die The surface of the copper pipe was not braced, but only the incised helical, fine grooves 3 cross the grooves 2 and are finer due to a multitude of them Ribs 4 separated from each other, which have V-shaped notches 5 in their upper ends. The depth of the Grooves 3 is preferably equal to or greater than that of the grooves 2, and their spacing is less than 1 now.

Da die Furchen 3 durch das nach Art eines Pfluges arbeitende Scheidwerkzeug gebildet sind, ragen ihre Kanten aus der ursprünglichen Rohroberfläche höher hervor als vor dem Schneiden. Bei der Bearbeitung der in F i g. 1 und 3 dargestellten Wandfläche 1 betrug die Schnittiefe 0,4 mm und der Furchenabstand ebenfalls 0,4 mm. Die schraubenförmigen Furchen 3 kreuzen die Nuten 2 in einem Winkel von etwa 90° und haben eine Tiefe von 0,76 mm, während die dünnen Rippen 4 etwa 0,2 mm dick sind und 0,58 mm aus der Oberfläche des Kupferrohres hervorragen. Die Kanten dieser Rippen 4 sind abgeschrägtSince the furrows 3 are formed by the cutting tool that works like a plow, theirs protrude Edges protrude higher from the original pipe surface than before cutting. When editing the in Fig. 1 and 3, the depth of cut was 0.4 mm and the furrow spacing was likewise 0.4 mm. The helical grooves 3 cross the grooves 2 at an angle of about 90 ° and have a Depth of 0.76 mm, while the thin ribs 4 are about 0.2 mm thick and 0.58 mm from the surface of the Protrude from the copper pipe. The edges of these ribs 4 are beveled

Nach dem Schneidvorgang wurde das Kupferrohr durch eine Bürstenmaschine hindurchgeführt, bei der eine Anzahl von scheibenförmigen Drahtbürsten radial längs des Vorschubweges des Kupferrohres so angeordnet waren, daß sie den ganzen Umfang des hindurchgeführten Rohres berührten. Die Bürsten rotierten mit hoher Drehzahl und konnten relativ zur Vorschubaclise hin und herbewegt werden. Durch diese Bürstenanordnung wurde das Kupferrohr mit gleichbleibender Geschwindigkeit hindurchbewegt; es kann aber auch bei bewegten Drahtbürsten ortsfest gehalten werden.After the cutting process, the copper pipe was passed through a brush machine in which a number of disc-shaped wire brushes arranged radially along the feed path of the copper pipe were that they touched the entire circumference of the pipe passed through. The brushes rotated with it high speed and could relative to the feed aclise be moved back and forth. This brush arrangement made the copper tube more consistent Speed moved through; however, it can also be kept stationary when the wire brushes are moving.

Die Drahtbürsten sind so eingestellt, daß ihr Außenumfang einen Kreis berührt, der etwas kleiner als der Außendurcbmesser des Kupferrohres mit den herausgearbeiteten feinen Rippen 4 ist. Wenn das Kupferrohr vorgeschoben wird, werden die Endkanten 6 der Rippen 4 von den umlaufenden Drahtbürsten reibend gestreift, durch die dabei entstehende Wärme erweicht und seitwärts gestreckt, ohne abgeschnitten zu werden. Wie aus F i g. 3c ersichtlich, sind die Endkanten 6 der dünnen gestreckten Kupferfilme 7 an den mittleren Teil der benachbarten Rippe 4 angedrückt und angeschweißt Unter diesen dünnen Kupferfilmen 7 entsteht eine Reihe von schraubenförmigen Strömungskanälen, die in ihrer Deckwand kleine eingekerbte Durchgangslöcher aufweisen. Die Oberfläche des dünnen Kupferfilms 7, der die Deckwände der Strömungskanäle und die Oberfläche des Wärmetauscherrohres bildet, ist vielfältig zerklüftet, wie aus F i g. 1The wire brushes are set so that their outer circumference touches a circle that is slightly smaller than is the outer diameter of the copper pipe with the fine ribs 4 worked out. If that Copper pipe is advanced, the end edges 6 of the ribs 4 are from the rotating wire brushes rubbing striped, softened by the resulting heat and stretched sideways without being cut off will. As shown in FIG. 3c can be seen, the end edges 6 of the thin elongated copper films 7 are on the the middle part of the adjacent rib 4 is pressed and welded under these thin copper films 7 creates a series of helical flow channels, which have small notched through holes in their top wall. The surface of the thin copper film 7, which covers the top walls of the flow channels and the surface of the heat exchanger tube forms is fissured in many ways, as shown in FIG. 1

ίο ersichtlich. Die Durchgangslöcher haben eine ungleichmäßige Form und eine Größe von 0.06 bis 0,4 mm².ίο evident. The through holes have an irregular shape and a size of 0.06 to 0.4 mm ² .

In F i g. 2 kennzeichnet die Kurve A die Wärmeübergangskennlinie eines erfindungsgemäß hergestellten Wärmetauscherrohres. Der Wärmeübergang ist weit besser als beispielsweise bei einem Wärmetauscherrohr mit glatter Oberfläche gemäß der Kurve B. In Fig. 2, curve A identifies the heat transfer characteristic of a heat exchanger tube produced according to the invention. The heat transfer is far better than, for example, a heat exchanger tube with a smooth surface according to curve B.

Wenn das mit einem Heißmedium gefüllte Wärmetauscherrohr waagerecht in eine Flüssigkeit eintaucht, füllen sich die die Strömungskanäle bildenden kleinen Hohlräume mit der Flüssigkeit, die sofort erhitzt wird und unter Bläschenbildung verdampf. Da die Hohlräume sich kanalartig über den Umfang des Rohres erstrecken, steigen die sich bildenden Dampfbläschen in den Strömungskanälen bis zum obersten Bereich des Rohres und gelangen durch die oberen kleinen Durchgangslöcher in die umgebende Flüssigkeit Auf diese Weise werden die Dampfbläschen nur kurzzeitig in den Hohlräumen zurückgehalten und bleiben so klein, wie die Dicke des äußerst dünnen Flüssigkeitsfilmes zwischen den durchgehenden Kanalwänden. Ferner bewirkt das Einströmen der Flüssigkeit in die Strömungskanäle durch die unteren Durchgangslöcher einen kräftigen Strom in der ganzen Flüssigkeit wodurch sich ein wirksamer Wärmeaustausch ergibt.If the heat exchanger tube filled with a hot medium is immersed horizontally in a liquid, the small cavities forming the flow channels fill with the liquid, which is immediately heated and evaporate with formation of bubbles. Because the cavities are channel-like over the circumference of the pipe extend, the forming vapor bubbles rise in the flow channels to the uppermost area of the Tube and pass through the upper small through holes into the surrounding liquid In this way, the vapor bubbles are only briefly retained in the cavities and remain so small, like the thickness of the extremely thin liquid film between the continuous channel walls. Further causes the liquid to flow into the flow channels through the lower through-holes a strong current in the whole liquid which results in an efficient heat exchange.

Wenn das Rohr senkrecht eintaucht, vermindern sich aufgrund der Tunnelwirkung der Strömungskanäle die angegebenen Eigenschaften geringfügig. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die feinen Strömungskanäle parallel zur Rohrachse oder mit einer nur kleineren Neigung zur Rohrachse anzuordnen. Ein derartiges Wärmetauscherrohr läßt sich — ebenso wie Wärmetauscherplatten — nach dem oben beschriebenen Verfahren herstellen.If the pipe is immersed vertically, the tunneling effect of the flow channels reduces the specified properties slightly. In this case it is advisable to use the fine flow channels to be arranged parallel to the pipe axis or with only a slight inclination to the pipe axis. Such a thing The heat exchanger tube can be - like heat exchanger plates - according to the method described above produce.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

1 claims:

1. Process for producing a surface that promotes the boiling of a liquid a heat exchanger wall in which one wall surface has a large number of fine, parallel grooves and crossing these a multitude of fine, parallel grooves with or opposite to the furrows smaller depths are incorporated close to one another and in which the crests of the between the Furrows resulting, thin ribs transversely to their longitudinal direction so deformed and over the furrows are pressed away against the respective adjacent ribs, that largely closed, small parallel flow channels are created that have numerous tiny openings distributed over their length have to the outer surface of the heat exchanger wall, characterized in that the Grooves (2) are incorporated in front of the furrows (3) and the ribs (4) thus receive notched ridges, which is then stretched by rubbing brushing, heated to the point where the material has softened and with their teeth formed between the notches (5) with the adjacent ribs (4) metallurgically get connected.

2. The method according to claim 1, characterized in that the rubbing painting of the notched Combing the ribs (4) is done by brushing using rotating wire brushes.