DE2546444C3

DE2546444C3 - Wärmeaustauscherwand und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE2546444C3
Application number: DE2546444A
Authority: DE
Inventors: Kimio Hitachi Kakizaki; Wataru Nakayama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-10-21
Filing date: 1975-10-16
Publication date: 1981-07-02
Also published as: NL164954C; DE2546444A1; JPS5147649A; GB1501712A; JPS5325379B2; NL164954B; NL7512329A; DE2546444B2; US4060125A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeaustauscherwand der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art und auf ein zugehöriges Herstel* lungsverfahren 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 Rippen od, dgl, zur Vergrößerung der Oberfläche versehen ist. Die genannte Wärmeübergangswand hat jedoch den Nachteil, daß Verunreinigungen, z, B, öl, die in der behandelte,! Flüssigkeit vorliegen können, unter Um ständen die sehr kleinen, verworren untereinander verbundenen Zellen der porösen Schicht verstopfen, was zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs führt

Andererseits ist eine Wärmeaustauscherwand der

ίο eingangs vorausgesetzten Art bekannt (US-PS 35 66 514), 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 Außenseile 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 Strömungsturbulenz im Hohlraum führt so daß die Abgabe der Dampfblasen instabil wird. Es ergibt sich somit ein verringerter Wärmeübergang.

Weiter ist eine Wärmeaustauscherwand mit einer

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 an der Gratwurzel größer als im Bereich der Gratspilzen ist. Das Verfahren sieht vor, die Nuten mit einer Dichte von wenigstens 8 Rillen/cm auszubilden, jed?n 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 bevor-

*^r> zugt mit einem Kerbwerkzeug mit einem Schneidenwinkel von 20 bis 45° hergestellt, und das Kerbwerkzeug kann bei der Herstellung der Rillen in einer zur Kerbrichtung querlaufenden 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 über 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 lVärmeaustauscherwand 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 ans 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 Wärmeübergangsverhalten 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 zur gesamten Oberfläche der Wärmeübergangswand, der in Fachkreisen als »öffnungsverliältnis« bekannt ist, im Bereich von 2 bis 50% begrenzt.

Die Erfindung .wird a.tf.and des in der Zeichnung veranschaulichten Ausl'ührungsbeispiels näher erläutert; darin zeigt

F i g, 1 eine vergrößerte Schnittdarsteüung einer Kupferröhrenoberflächenschicht gemäß der Erfindung;

F i g. 2 eine vergrößerte Aufsicht dieser Oberfläche;

F i g. 3 ein Diagramm zum Vergleich der Verhaltenskurven einer mit einer einfachen porösen Oberflächenschicht ausgebildeten Kupferröhre und einer Kupferröhre gemäß der Erfindung; und

in F i 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 Ward 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 weiv::i 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 löngs

•»o der Führungsspindel.

Die im Schnitt dargestellte Kupferröhre wurde mit einen·. Riffelwerkzeug »R-50« (zur Nutenbildung mit einem Raster von 50 Nuten je 25,4 mrn bis in eine Tiefe von 0,15 mm) geriffelt Diese Bearbeitung erzeugte

«5 durchlaufende wendeiförmige Nuten mit V-förmigem Querschnitt und einer Tiefe von 0,15 mm, die auf der Kupferröhre parallel zueinander mit dem gegebenen Abstandsmaß verlaufen. Die flachen Nuten können auch durch Abdrehen mit einem spanabhebenden Schneidwerkzeug statt der Verwendung der Rollen oder Walzen wie beim Riffeln gebildet werden.

Der nächste Verfahrensschritt 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 Ausführungsbeispiei wurde die Röhrenoberfläche 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 ourchlaufende 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. Üann wird die bearbeitete Kupierrohre 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 regelmäßigen Abständen aufweisen, stehen die Tunnel I in entsprechenden Abständen mit der Außenseite durch die Löcher 4 in Verbindung.

Das Verhalten der so hergestellten Wärmeübergangsröhre wurde mit dem des eingangs genannten Röhrentyps mit einer porösen Schicht verglichen. Die in F i g. 3 dargestellten Ergebnisse /.eigen klar, daß die Röhre gemäß der F.rfindung (Kurve A) im Wärmeübergangsverhalten der bekannten Röhre (Kurve B) überlegen ist. Im betrachteten Ausführungsbeispiel 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 Änzahi von Röhren, deren jede Tumid uttii Löcher mit verschiedenem »Öffnungsverhältnis« aufwiesen, wurde in gleicher Weise, wie oben beschrieben, hergestellt, und das WärmeUbergangsvcrhalten der Röhren wurde unter Verwendung von Testflüssigkeiten aus Trichlormonofluormethan (»R-Il«) 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-1 I« zwischen 2 und 10% liegt bzw. wenn es im Fall der Verwendung von »R-l 13« zwischen 2 und 50% liegt.

Hierzu 2 Matt Zcichmuicen

Claims

Patentansprüche:

1. 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. Wärme?ustauscherwand 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-tjuerschnittförmigen 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 weggeschnk'en 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 teilweisem Fließen durch Reibung erfolgt, so daß durch das Bürsten dünne Wände (3) mit im wesentlichen gleichseitigdreieckigen Löchern (4) erzeugt werden.