DE2546444B2 - Wärmeaustauscherwand und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Wärmeaustauscherwand und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustauscherwand der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
vorausgesetzten Art und auf ein zugehöriges Herstellungsverfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs
3 vorausgesetzten Art.
Um einen wirksamen Wärmeübergang von der Oberfläche einer Kupfer-, Aluminium- oder anderen
Metallplatte oder -röhre auf eine damit in Berührung befindliche Flüssigkeit, z.B. eine Flüssigkeit relativ
niedrigen Siedepunkts, wie etwa »Freon«, Stickstoff oder Sauerstoff im verflüssigten Zustand oder Alkohol,
zu erzielen, kann man die Wärmeübergangsfläche aufrauhen, indem man Metallpulver sintert und eine
poröse Schicht darauf bildet.
Die Wand mit einer solchen porösen Oberfläche oder zahlreichen aktiven Siedestellen an der Oberfläche
weist ein besseres Wärmeübergangsverhalten als das einer herkömmlichen Wand auf, die "lediglich mit Kippen
od. dgL zur Vergrößerung der Oberfläche versehen ist.
behandelten Flüssigkeit vorliegen können, unter Umständen die sehr kleinen, verworren untereinander
verbundenen Zellen der porösen Schicht verstopfen, was zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs
führt
ίο eingangs vorausgesetzten Art bekannt (US-PS
35 66514), bei der der Tunnelabstand 1,27 mm, die Tunnelbreite 0,51— 0,635 mm, die Tunneltiefe 0,51 mm
und der Löcherabstand 0,51 mm betragen und die Löcher mandelförmig sind. Bei der Herstellung dieser
bekannten Wärmeaustauscherwand in der ebenfalls eingangs vorausgesetzten Art werden die beiden
Gruppen von flachen und tieferen parallelen Nuten parallel ausgebildet und die anschließende Deformationsbehandlung
der genuteten Oberfläche erfolgt mittels eines Rändelrades. Die dabei gebildeten
länglichen, etwa mandelförmigen Löcher verbinden einen Hohlraum mit der Außenseite und ermöglichen
jeweils den Durchtritt einer im wesentlichen kugelförmigen, in die Breite des Lochs einbeschriebenen
Dampfblase. Siedende Flüssigkeit im kühleren Zustand tritt dann in den Hohlraum durch freie Teile an den
entgegengesetzten Enden des Lochs ein und kühlt eine Dampfblase unter dem Loch ab, wodurch ein Verbleib
der Dampfblase unter dem Loch beeinträchtigt oder verhindert werden kann, was zur Verursachung einer
somit ein verringerter Wärmeübergang.
J5 Vielzahl von länglichen Kammern bekannt (DE-OS 23 43 523), die durch eine dünne Buchse von der
Siedeflüssigkeitskontaktwandoberfläche getrennt gehalten sind, wobei die dünne Buchse eine Vielzahl von
kreisrunden Löchern zur Verbindung der Kammern mit der Außenseite aufweist, die durch Perforieren erzeugt
sind. Eine solche Wärmeaustauscherwand ist nicht nur schwierig bzw. umständlich herstellbar, sondern weist
auch noch keine optimalen Wärmeübergangseigenschaften auf.
Schließlich ist ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmeaustauscherwand mit einer Mehrzahl im wesentlichen
paralleler Rillen und Zwischenrippen an einer Wand bekannt (AT-PS 2 97 065), worin der Abstand
zweier benachbarter, durch die Rillen gebildeter Grate
so an der Gratwurzel größer als im Bereich der Gratspitzen ist. Das Verfahren sieht vor, die Nuten mit
einer Dichte von wenigstens 8 Rillen/cm auszubilden, jeden nachfolgend entstehenden Grat oben in und/oder
über den zuletzt hergestellten Rillenhohlraum zu drücken, vorzugsweise eine zweite Schar von Rillen vor
oder nach Herstellung der genannten ersten Rillen im wesentlichen untereinander parallel und die ersten
Rillen kreuzend herzustellen, wobei die erste Rillenschar in eine glatte Oberfläche der Wand eingekerbt
werden kann, während die zweite Rillenschar danach eingekerbt oder gefräst wird und hierbei vorzugsweise
die Vorschubrichtung bei der zweiten Rillenscharherstellung in Richtung der Neigung der Grate der ersten
Rillenschar eingestellt wird. Die Rillen werden bevorzugt mit einem Kerbwerkzeug mit einem Schneidenwinkel
von 20 bis 45" hergestellt, und das Kerbwerkzeug kann bei der Herstellung der Rillen in einer zur
Kerbrichtung queriaufenden Richtung gegen das
Werkstück geneigt angesetzt werden. Das bedeutet, daß
im gleichen Zuge mit der Herstellung der ersten
Rillenschar obligatorisch sogleich der Oberteil jedes der
aufeinanderfolgend gebildeten Grate in und/oder über
die zuletzt hergestellte Rille gedrückt wird. Außerdem wird vorzugsweise noch eine zweite Rillenschar
hergestellt, und zwar vorher oder nachher. Die so hergestellten Wärmeaustauscherwände haben begrenzte
öffnungen, die durch Drücken der Grate in und/oder
Ober die jeweils benachbarten Rillen gebildet sind. Es ist dabei nicht zu erwarten, daß die begrenzten öffnungen
regelmäßig und gleichmäßig in der Rillenerstreckungsrichtung gebildet werden. Es ist technisch nicht
durchführbar, die Rillen und Grate in der Weise auszubilden, daß die Gipfel der Grate die benachbarten
berühren und die berührenden Teile der Grate in bestimmten regelmäßigen Abständen in der Richtung
liegen, in der sich die Rillen erstrecken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeaustauscherwand der eingangs vorausgesetzten
Art so auszubilden, daß sie einen Wärmeübergang mit verbessertem Wirkungsgrad durch stetigere Dampfblasenabgabe
gewährleistet, und ein zur Herstellung einer solchen Wärmeaustauscherwand geeignetes Verfahren
anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1
bzw. des Patentanspruchs 3 gelöst
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Wärmeaustauscherwand ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet
Bei Verwendung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmeaustauscherwand, die zweckmäßig aus
Kupfer oder Aluminium besteht, verlassen beim Kochen der Flüssigkeit innerhalb eines Tunnels zwischen einem
Paar von benachbarten winzigen Löchern längs des Tunnels erzeugte Dampfblasen teilweise den Tunnel
durch eines der Löcher, während die Flüssigkeit durch das andere Loch in den Tunnel strömt So ergibt sich
eine bestimmte Strömung von Blasen und Flüssigkeit zwischen jedem Löcherpaar. Während der Strom
zwischen den benachbarten winzigen Löchern aufrechterhalten wird, wiederholen einige der nahe den
winzigen Löchern zurückgebliebenen Blasen das Wachsen und teilweise Ablösen von der Wand. Damit entfällt
der Schritt der Blasenbildung des üblichen Blasenbildungszyklus, der aus Blasenbildung, -wachstum und
-abgabe besteht, so daß die Wartezeit bis zur Blasenabgabe verkürzt wird. Infolgedessen ist die
Wärmeübergangsmenge auch dort groß, wo der Temperaturunterschied zwischen der Wandoberfläche
und der Flüssigkeit klein ist, und das Wärmejibergangsverhalten ist dementsprechend verbessert. ^
Ein Versuch zeigte, daß auch bei Verwendung der vorstehend beschriebenen neuen und wirkungsvollen
Wärmeaustauscherwand ein Anwachsen der Menge von in den Tunneln zurückgehaltenem Dampf das
Wärmeübergangsverhalten ungünstig beeinflußt, da der Dampf einen Wärmewiderstand aufgrund des Unterschiedes
zwischen den Wärmeübergangskoeffizienten der Flüssigkeit und des Dampfes verursacht. Aus diesem
Grunde muß die Menge der in den Tunneln zurückgehaltenen Dampfblasen begrenzt werden. Dies läßt sich
dadurch erreichen, daß man den Prozentsatz der gesamten Löcherfläche im Verhältnis uir gesamten
Oberfläche der Wärmeübergangswand, der in Fachkreisen als »Öffnungsverhältnis« bekannt ist, im Bereich von
2 bis 50% begrenzt.
veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert; darin zeigt
Fig. 1 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Kupferröhrenoberflächenscfaicht gemäß der Erfindung;
Fig.3 ein Diagramm zum Vergleich der Verhaltenskurven
einer mit einer einfachen porösen Oberflächenschicht ausgebildeten Kupferröhre und einer Kupferröhre
gemäß der Erfindung; und
ίο Fi g. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung
zwischen dem »Öffnungsverhältnis« und dem Wärmeübergangsverhalten.
Gemäß F i g. 1 und 2 verlaufen im wesentlichen parallele winzige Tunnel 1 wendelförmig, sind durch
feine Zwischenwände 2 getrennt und in Abständen darüber von dünnen Wänden 3 überbrückt Die Wände
2 und 3 sind einstückig mit dem Röhrenkörper gebildet Jede öffnung, wo die abdeckende Wand 3 aufgerissen
ist, stellt ein winziges Loch 4 zur Verbindung des Tunnels 1 mit der Flüssigkeitskontakt-Außenseite dar.
Wie in F i g. 2 veranschaulicht ist, weisen die Löcher 4 eine gegebene Abmessung und im dargestellten Beispiel
angenähert Dreieckform auf und sind längs der Tunnel 1 in regelmäßigen Abständen verteilt Eine Kupferröhre
mit einer solchen Oberfläche läßt sich herstellen, indem man die Röhre nacheinander riffelt, einschneidet und
mit Drahtbürsten behandelt Die Abmessung der Löcher 4 läßt sich dadurch regulieren, daß man die Abmessungen
der durch das Riffeln zu bildenden flachen Nuten und den Druck steuert, mit dem die Bürsten während
des Bürstvorgangs im Kontakt mit der Röhre gehalten werden.
Für das Riffeln wird ein Riffelwerkzeug, das eine mit einer Mehrzahl von durchgehenden wendeiförmigen
Schneidrippen ausgebildete Rolle oder Walze trägt am Werkzeughalter einer Drehbank angebracht und in
Kontakt mit der Oberfläche einer Kupferröhre gedrückt die an der Maschine fest eingespannt ist und
rotiert und man bewegt dann den Werkzeughalter längs der Führungsspindel.
Dir im Schnitt dargestellte Kupferröhre wurde mit
einem Riffelwerkzeug »R-50« (zur Nutenbildung mit einem Raster von 50 Nuten je 25,4 mm bis in eine Tiefe
von 0,15 mm) geriffelt Diese Bearbeitung erzeugte durchlaufende wendeiförmige Nuten mit V-förmigem
Querschnitt und einer Tiefe von 0,15 mm, die auf der
Kupferröhre parallel zueinanderÄnit dem gegebenen Abstandsmaß verlaufen. Die flachen Nuten können auch
durch Abdrehen mit einem spanabhebenden Schneidwerkzeug statt der Verwendung der Rollen oder
Wajzen wie beim Riffeln gebildet werden.
Der nächste Verfalirensschritt des Einschneidens
geht durch Bearbeitung der Kupferröhre in der Weise vor sich, daß die Oberfläche quer zu den flachen Nuten
geschabt und verformt wird, ohne daß die Oberflächenschicht weggeschnitten wird. Mehrere Schneidwerkzeuge
werden am Werkzeughalter angesetzt und in allgemein gleicher Weise wie beim Formen einer
mehrgängigen Schraube gegen die Kupferröhrenoberfläche gedrückt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Röhi jnoberfläche im wesentlichen unter rechten
Winkeln zu den beim Riffeln gebildeten Nuten bis in eine Tiefe von 0,4 mm bei einem Abstandsmaß von
0,4 mm bearbeitet. Als Ergebnis hatte die Röhrenoberfläche wendelförmig durchlaufende Nuten von 0,76 mm
Tiefe in dichter Parallelanordnung und 0,2 mm dicke Rippen, die regelmäßig an den Oberkanten verteilte
winzige V-förmige Ausnehmungen aufwiesen und die Nuten trennten. Die regelmäßig ausgebildeten Ausnehmungen
sind Überbleibsel der durch das Riffeln geschaffenen flachen V-förmigen Nuten. Sie stellen
eventuell winzige Löcher 4 dar. Ähnlich werden die kleinen Rippenwände zu Wänden 2, 3 und die tiefen
Nuten zu Tunneln 1.
Dann wird das Bürsten mit Drahtbürsten vorgenommen, wobei die bearbeitete Kupferröhre durch eine
Bürstenvorrichtung geleitet wird, die aus einer Mehrzahl von Drahtbürstenrädern besteht, die längs der
Durchlaufbahn der Röhre angeordnet sind. Jedes Bürstenrad ist zur Achse dieser Bahn hin und von dieser
Bahn weg beweglich, und seine eigene Achse ist im wesentlichen parallel zu den an der Röhrenoberfläche
gebildeten Nuten. Die Bürstenräder sind in ihrer Lage einstellbar, so daß der Umfang jedes Rades in
Berührung mit einem bestimmten gegebenen Kreis ist. Dann wird die bearbeitete Kupferröhre in die Bahn zum
Bürsten eingeführt Die winzigen Rippen an der Röhrenoberfläche werden nicht gänzlich nach unten
eingedrückt, sondern nur ihre Oberkanten zwischen den Ausnehmungen werden kräftig durch die Drahtbürstenräder
gerieben. Sie werden durch den Bürstendruck und die durch die Reibung erzeugte Wärme erweicht und zu
dünnen Filmen in Umfangsrichtung um die Röhrenoberfläche gestreckt bis sie nahezu einstückig gegen
Zwischenpunkte der benachbarten Rippen gepreßt werden.
In der beschriebenen Weise werden die Nuten zwischen den Rippen durch dünne Wände 3 unter
Bildung von Tunneln 1 geschlossen bzw. abgedeckt Da die dünnen Wände als Folge der vorher gebildeten
V-förmigen Ausnehmungen und der Zwischenstücke der benachbarten Rippen winzige Löcher 4 von im
wesentlichen dreieckig gestalteter Form in regelmäßi-
ί gen Abständen aufweisen, stehen die Tunnel 1 in
entsprechenden Abständen mit der Außenseite durch die Löcher 4 in Verbindung.
Das Verhalten der so hergestellten Wärmeübergangsröhre wurde mit dem des eingangs genannten
to Röhrentyps mit einer porösen Schicht verglichen. Die in Fig.3 dargestellten Ergebnisse zeigen klar, daß die
Röhre gemäß der Erfindung (Kurve A) im Wärmeübergangsverhalten der bekannten Röhre (Kurve B)
überlegen ist. Im betrachteten Ausführungsbeispiel
Ii wurden die Abmessungen der Löcher 4 dadurch eingestellt, daß man den Druck variierte, mit dem die
Drahtbürstenräder im Kontakt mit der Röhrenoberfläche gehalten wurden.
Eine Anzahl von Röhren, deren jede Tunnel und
Eine Anzahl von Röhren, deren jede Tunnel und
Löcher mit verschiedenem »Öffnungsverhältnis« aufwiesen, wurde in gleicher Weise, wie oben beschrieben,
hergestellt, und das Wärmeübergangsverhalten der Röhren wurde unter Verwendung von Testflüssigkeiten
aus Trichlormonofluormethan (»R-11«) und Trichloräthan
(»R-113«) überprüft. Die Ergebnisse davon sind graphisch in F i g. 4 dargestellt. Man ersieht aus diesem
Diagramm, daß der Wärmeübergangskoeffizient der Röhre hoch ist, wenn das Öffnungsverhältnis im Fall der
Verwendung von »R-11« zwischen 2 und 10% liegt bzw.
-in wenn es im Fall der Verwendung von »R-113« zwischen
2 und 50% liegt
Claims (3)
- Patentansprüche:ί. Wärmeaustauscherwand für siedende Flüssigkeiten aus einem wärmeleitenden Metall mit einer Oberfläche zur Übertragung von Wärme auf die siedende Flüssigkeit, einer Vielzahl von unter der Oberfläche angeordneten, von dieser durch einen dünnen Metallwandteil getrennten und parallel verlaufenden winzigen Tunneln sowie einer Vielzahl von in dem dünnen Metallwandteil zur Verbindung der Tunnel mit der Oberfläche geformten Löchern, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen benachbarten Tunneln (1) im Bereich von 0,2—1,0 mm, die Breite jedes Tunnels (1) im Bereich von 0,1—0,8 mm, die Tiefe jedes Tunnels (1) im Bereich von 0,2—0,8 mm und der Abstand zwischen benachbarten, längs eines Tunnels (1) angeordneten Löchern (4) nicht über 1 mm gewählt sind und jedes Loch (4) von im wesentlichen gleichseitig — dreieckiger Form ist
- 2. Wärmeaustauscherwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (4) zusammen 2 bis 50% der gesamten Oberfläche der Wand ausmachen.
- 3. Verfahren zur Herstellung einer Wärmeaustauscherwand nach Anspruch 1 oder 2, gemäß dem man eine Vielzahl von parallelen, V-querschnittförmigen Nuten an der Flüssigkeitskontaktoberfläche der Wand und eine Vielzahl von parallelen tieferen Nuten abwechselnd mit regelmäßig unterbrochenen Rippen durch Einschneiden in der Weise bildet, daß die Oberfläche verformt wird, ohne daß die Oberflächenschicht weggeschnitten wird, und nachher die genutete Oberfläche zur Brückenbildung zwischen den benachbarten Rippen und damit zur Bildung der winzigen Tunnel mit Löchern in regelmäßigen Abständen längs jedes Tunnels behandelt, dadurch gekennzeichnet, daß man die tieferen Nuten unter rechten Winkeln zu den V-Nuten durch Schaben bildet und daß die Behandlung der kreuzweise genuteten Oberfläche zu der Brückenbildung und der Bildung der winzigen Tunnel (1) durch eine Drahtbürste unter leilweisem Fließen durch Reibung erfolgt, so daß durch das Bürsten dünne Wände (3) mit im wesentlichen gleichseitigdreieckigen Löchern (4) erzeugt weden.
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