DE2552679B2

DE2552679B2 - Wärmeübertragungsrohr

Info

Publication number: DE2552679B2
Application number: DE2552679A
Authority: DE
Inventors: Kunio Tokio Fujie; Tamio Innami; Masaaki Itoh; Hideyuki Ibaraki Kimura; Wataru Kashiwa Nakayama; Takehiko Ibaraki Yanagida (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-11-25
Filing date: 1975-11-24
Publication date: 1980-03-13
Also published as: DE2552679C3; DE2552679A1; US4044797A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmeübertragungsrohr mit wendeiförmigen Nuten an der Innenwand zum Durchstrom einer siedenden oder kondensierten Flüssigkeil, das in einem Wärmeaustauscher, wie z. B. einem Klimagerät, Gefrierapparat oder Heißwasserapparat verwendbar ist.

Unter den Wärmeübertragungsrohren mit besonderen Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmeübergangsmaßes zwischen dem Wärmeübertragungsrohr und dem durch das Rohr strömenden Fluid gibt es einerseits ein Rohr, das innen fest mit der Innenwand verbundene Rippen aufweist, und andererseits ein Rohr, das an seiner Innenwand mit Nuten versehen ist. Beide Rohrarten sollen die Wärmeübergangsfläche in den Rohren steigern und die Turbulenz des Fluids in den Rohren erweitern, indem Rippen oder Nuten vorgesehen sind, wodurch das Wärmeübergangsmaß je Längeneinheit der Wärmeübertragungsrohre verbessert wird. Dementsprechend ist es erforderlich, daß die Höhe der Rippen bzw. die tiefe der Nuten ein gewisses Maß erreichen oder übertreffen muß. Bei diesen Anordnungen zeigten die Wärmeübertragungsrohre ein hohes Widerstandsniveau gegenüber dem durch das Rohr strömenden Fluid, wodurch unvermeidlich ein ziemlich hoher Druckverlust verursacht wird.

Ein erhöhter Druckverlust oder -abfall erfordert eine große Pumpleistung, führt außerdem zu veränderten Kondensations- und Verdampfungstemperaturen und verursacht eine verminderte Leistung des Wärmeaustauschers oder des Betriebsystems insgesamt, was die Verwendung solcher Wärmeübertragungsrohre dieser Arten beeinträchtigte.

Es ist ein rohrförmiger Dampferzeuger mit wendeiförmigen Nuten an der Innenwand bekannt (CH-PS 2 18 194), wobei die beispielsweise U-querschnittförmigen Nuten der Steigerung der Wärmeübergangsfläche dienen, eine Tiefe von 0,38 mm, eine Zwischenrippenbreite von 0,63 mm und einen Neigungswinkel von 60° zur Achse des Rohres haben. Hiermit ist zwar die Wärmeübergangsfläche erhöht, doch liegt der Strömungswiderstand zu hoch, um optimal niedrige Druckverluste zu gewährleisten.

Wandung bekannt (DE-OS 15 51 542), die Nuten mit einer Tiefe von 0,06 bzw. 0,2 mm und Abständen von 0,11 bis 0,42 mm hat.

Schließlich ist eine ebene Wärmeaustauscherwand bekannt (DE-OS 16 01 173), die Nuten mit einem Neigungswinkel zwischen 45 und 90° zur Längsrichtung aufweist, die einen V-förmigen Querschnitt haben können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeübertragungsrohr der eingangs genannten Art so auszubilden, daß es neben einem hohen Wärmeübertragungsmaß einen im Vergleich mit dem bekannten Rohr niedrigeren Strömungswiderstand und damit einen niedrigeren Druckverlust aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Nuten eine Tief; von 0,02 bis 0,2 mm von der Innenwandoberfläche, einen regelmäßigen Abstand (Teilangsmaß p)von 0,1 bis 0,5 mm zwischen benachbarten Nuten und einen Neigungswinkel der Wendel von 4 bis 15° oder 165 bis 176° zur Achse des Wärmeübertragungsrohres haben.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Nuten im Querschnitt V-förmig sind und ihr Scheitelwinkel im Bereich von 30 bis 90° liegt.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Nuten im Querschnitt U-förmig sind und ihre Breite im Bereich von 0,25 bis 0,9 mm liegt.

Die Nuten des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohres sind also von erheblich geringerer Abmessung als die Nuten, die bisher zwecks Steigerung der Wärnieübergangsfläche an der Innenwand eines solchen Rohres bereits vorgesehen wurden, und von wesentlicher Bedeutung ist ihre Ausbildung mit einem Neigungswinkel zur Rohrachse in den beanspruchten Bereichen.

Aufgrund der Abmessung und der Neigungswinkel der erfindungsgemäß vorgesehenen Nuten läßt sich eine Vergrößerung des Wärmeübergangsmaßes praktisch ohne Anwachsen des Druckverlustes erzielen.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines Wärmeübertragungsrohres mit im Querschnitt V-förmigen Nuten, wobei der Schnitt in einer zu den Nuten senkrechten Ebene liegt,

F i g. 2 einen Teillängsschnitt dieses Rohres durch die Rohrachse,

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines anderen Ausführungsbeispiels mit im Querschnitt U-förmigen Nuten, wobei der Schnitt ebenfalls in einer zu den Nuten senkrechten Ebene liegt,

Fig. 4 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Nutentiefe und dem Wänneübergangsmaß,

Fig. 5 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Nutentiefe und dem Druckverlustverhältnis,

F i g. 6 ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Nuten und dem Wärmeübergangsmaß sowie der Beziehung zwischen dem Neigungswinkel der Nuten und dem Druckverlust.

Fig. 1 ist ein vergrößerter Querschnitt eines in einer zu den Nuten senkrechten Ebene geschnittenen Wärmeübertragungsrohres. Fig. 2 ist ein Teillängsschnitt in einer durch die Rohrachse gehenden Ebene dieses Rohres. Eine Vielzahl von Nuten 2, die im Querschnitt V-förmig sind, ist in der Innenwand des Wärmeübertragungsrohres 1 vorgesehen. Die Tiefe h

Andererseits ist eine ebene wärmeaustauschende jeder Nut 2 !ie^üi ini Bereich von 0,02 bis 0,2 mm. Des

Intervall zwischen einer Nut und der nächsten Nut, d. h. das Teilungsmaß ρ liegt im Bereich von 0,1 bis 0,5 mm. Der Scheitelwinkel y der Nuten 2 liegt im Bereich von 30 bis 90". Außerdem sind die Nuten 2 in der Innenwand des Wärmeübertragungsrohres 1 in Wendelform ausgebildet. Dabei ergibt sich der Neigungswinkel β zur Achse 3 des Rohres 1 durch die Beziehung:

4^C'ζ β 5 15°,
165°^ β 5176°

F i g. 3 ist ein vergrößerter Querschnitt eines anderen Wärmeübertragungsrohres, das in einer zu den Nuten senkrechten Ebene geschnitten dargestellt ist. Die Nuten 2' haben hier im Querschnitt U-Form. Jede Nut 2' hat eine solche Tiefe Λ, ein solches Teilungsmaß ρ und einen solchen Neigungswinkel ß, wie sie für das erste Ausführungsbeispiel mit den im Querschnitt V-förmigen Nuten angegeben sind.

F i g. 4 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen der Nutentiefe h und dem Wärmeübergangsmaß α, worin die Tiefe Λ als Abszisse angegeben ist, während auf der Ordinate das Verhältnis des Wärmeübergangsmaßes λ eines Wärmeübertragungsrohres mit den Nuten zu dem Wärmeübergangsmaß αο eines glatten Rohres aufgetragen ist.

Die Bedingungen dieses Versuches waren folgende:

Material des

Wärmeübertragungsrohres Kupfer

I nnendurchmesser ddes

Wärmeübertragungsrohres	11,2 mm
Tiefe Λ der Nuten 2	nach und nach
	variiert von
	0,02 mm-
	1,0 mm
Teilungsmaß/'der Nuten 2	0,5 mm
Neigungswinkel β der Nuten 2	45°
Scheitelwinkel γ der Nuten 2	60°
Verwendetes Kühlmittel	»R-22«
Druck der
siedenden Flüssigkeit	4 kg/crp²G
Strömungsdurchsatz (Gewicht)
Grder siedenden Flüssigkeit	60 kg/h
Aufgebrachter Wärmefluß q	500 kcal/m^h
Durchschnittsmassendampf-
qualität X	0,6

Wie Fig. 4 erkennen läßt, zeigt das an seiner Innenwand mit den Nuten 2 versehene Wärmeübertragungsrohr ΰίη hohes Wärmeübergangsmaß, wenn die Tiefe Λ der Nuten Ϊ im Bereich von 0,02 bis 0,2 mm liegt, wobei das Wün'leübergangsmaß im Maximum den dreifachen Wert <dnes glatten Rohres erreicht. Ein so hohes WäTmeüb'-Vgangsmaß läßt sich der Tatsache zuschreibet!, daß. Wenn die Nuten 2 Werte de. Tiefe h von 0,02 bis 0,2 mlYi und des Teilungsmaßes ρ von 0,1 bis 0,5 mm aufweiset, die durch das Wärmeübertragungsrohr 1 strömende siedende Flüssigkeit in Rotation längs der Rohrwand versetzt wird und derart strömt, daß sie einen dünnen Film bildet, der aufgrund der Kapillarkräfte praktisch an der gesamten Fläche der Innenwand des Wärmeübertragungsrohres haftet, wobei der gasförmige Anteil der siedenden Flüssigkeit durch den zentralen Bereich des Wärmeübertragungsrohres 1 strömt, und daß die Nuten 2 außerdem als Siedezentren dienen, da sie von so kleiner Abmessung sind.

F i g. 5 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen der Tiefe h der Nuten 2 und dem Druckverlust Δ P, worin die Nuttiefe h als Abszisse und das Verhältnis zwischen dem Druckverlust A Feines mit den Nuten 2 versehenen Wärmeübertragungsroires und dem Druckverlust Δ Po eines glatten Rohres (A PIA P₀) als Ordinate angegeben ist.

Die Messungen der Druckverluste wurden parallel mit den Messungen des genannten Wärmeübergangsmaßes α unter den beim vorangehenden Ausführungsbeispiel angegebenen Bedingungen durchgeführt.

Wie sich aus F i g. 5 ergibt, steigt der Druckverlust mit dem Anstieg der Tiefe h der Nuten 2 nach Art einer Kurve 2. Grades. Wenn die Nutentiefe h geringer als 0,2 mm ist, gleicht der Druckverlust des mit Nuten versehenen Wärmeübertragungsrohres im wesentlichen dem eines glatten Rohres. In diesem Fall trägt die Anordnung der Nuten 2 kaum zum Anstieg des Druckverlustes bei.

Die Gleichheit der Druckverluste zwischen dem mit den Nuten 2 einer Tiefe h von weniger als 0,2 mm versehenen Wärmeübertragungsrohr und dem glatten Rohr läßt sich darauf zurückführen, daß, wenn die siedende Flüssigkeit so fließt, daß sie an der Innenwand des Wärmeübertragungsrohres 1 haftet, die Flüssigkeit die Nuten 2 »abdeckt« und diese Bereiche glättet, wodurch sie eine freie Grenzfläche mit weniger Widerstand bildet, als ihn die feste Wand im Fall des mit tiefen Nuten versehenen bekannten Wärmeübertragungsrohres hat.

F i g. 6 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Neigungswinkel β der Nuten 2 und dem Wärmeübergangsmaß λ, worin der Neigungswinkel β der Nuten 2 als Abszisse und das Wärmeübergangsmaß α als Ordinate angegeben ist.

Für Vergleichszwecke ist das Wärmeübergangsmaß eines glatten Rohres im linken Teil der Figur dargestellt. Im übrigen waren die Bedingungen dieses Versuches folgende:

Material des WärmeübertragungsrohresAluminium

Innendurchmesser t/des Rohres
Tiefender Nuten
Teilungsmaß ρ der Nuten
Neigungswinkel β der Nuten

Scheitelwinkel γ der Nuten
Verwendetes Kühlmittel
Druck der siedenden Flüssigkeit
Strömungsdurchsatz (Gewicht)
Grder siedenden Flüssigkeit
Aufgebrachter Wärmefluß q
Durchschnittsmassendampfqualität a

11,2 mm
0,15 mm
0,5 mm
nach und nach
variiert von
0—etwa 75°
90°

»R-22«
4 kg/cni²G

43 kg/h

18 300kcal/m²h

0,6

Wie F i g. 6 zeigt, wird der Druckverluat Δ Ρ durch den Neigungswinkel β der Nuten 2 kaum beeinflußt und bleibt im wesentlichen konstant. Das Wärmeübergangsmaß /χ ändert sich durch der Neigungswinkel β der Nuten 2 erheblich. Wenn der Neigungswinkel β = 0° ist, d. h. die Nuten 2 parallel zur Achse 3 des Wärmeübertragungsrohres 1 verlaufen, ergibt sich ein im Vergleich mit dem des glatten Rohres niedrigerer Wert, und anschließend folgt ein scharfer Anstieg mit steigendem Neigungswinkel ß. Der Maximalwert wird nahe dem Neigungswinkel β = 7° erreicht. Anschließend sinkt der Wert bei weiterem Anstieg des Neigungswinkels β über 7° und steigt nochmals allmählich an, wenn der Neigungswinkel β etwa 45° übersteigt.

Dann steigert die Anordnung der Nuten 2 an der Innenwand des Wärmeübertragungsrohres 1 die Fläche

der Innenwand, urr, die es bei dem Wärmeübergang des Wärmeübertragungsrohres geht, um etwa 35%, und man findet eine geringe Wirkung aufgrund von Unterschieden des Neigungswinkels β der Nuten 2.

Es verbessert sich, wenn die Oberfläche der Innenwand vergrößert wird, das Wärmeübergangsmaß. Nimmt man nun an, daß die gesamte vergrößerte Oberfläche gleichmäßig von dem Wärmeübergang betroffen wird, dann wachst das Wärmeübergangsmaß um 35% und läßt sich durch die ausgezogene horizontale Linie A in F i g. 6 andeuten. Daher liegt der Neigungswinkel ß, der ein höheres Wärmeübergangs maß als den durch die gerade Linie A angedeutete Wert anzeigt, im Bereich von 4 bis 15".

Dieser Neigungswinkelbereich von 4 bis 15° wirk

·> sich im Aufbringen einer großen Rotationskraft auf di siedende Flüssigkeit mittels des durch den zentrale Bereich des Wärnieübertragungsrohres strömende! Gases aus, wodurch die siedende Flüssigkeit angehobei wird, die sonst dazu neigt, sich im unteren Bereich eine

ίο Wärmeübertragungsrohres anzusammeln.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeübertragungsrohr mit wendeiförmigen Nuien an der Innenwand zum Durchstrom einer siedenden oder kondensierten Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (2,2') eine Tiefe (h) von 0,02 bis 0,2 mm von der Innenwandoberfläche, einen regelmäßigen Abstand (Teilungsmaß p) von C₁I bis 0,5 min zwischen benachbarten Nuten und einen Neigungswinkel (ß) der Wendel von 4 bis 15° oder 165 bis 176° zur Achse (3) des Wärmeübertragungsrohres (1) haben.

2. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (2) im Querschnitt V-förmig sind und ihr Scheitelwinkel (γ) im Bereich von 30 bis 90° liegt.

3. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (2') im Querschnitt U-förmig sind und ihre Breite (w) im Bereich von 0,25 bis 0,9 mm liegt.