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BESCHREIBUNG
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Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungs-Rohr für Siedewärmetauscher
gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
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Wärmeübertragungs-Rohre für Siedewärmetauscher weisen üblicherweise
eine Oberfläche auf, die das Verbleiben von Blasen auf der Wärmeübertragungsoberfläche
gestatten. Sie dienen zum Eintauchen in Flüssigkeiten wie etwa Freon, Wasser, flüssiger
Stickstoff oder flüssiger Sauerstoff und sollen diese Flüssigkeiten zum Sieden bringen.
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Bisher sind verschiedene Rohrtypen bekanntgeworden. Beispielsweise
gibt es Rohre mit einer porösen Schicht auf der Oberfläche, die durch Sintern mit
Hilfe von Metallpulvern hergestellt ist, oder einen weiteren Rohrtyp mit ringförmigen
oder schraubenförmigen Aussparungen auf der Oberfläche, die mit der Außenseite über
Spalten in Verbindung stehen, die durch Biegen der oberen Enden einer Anzahl von
Rippen hergestellt werden, die zunächst auf der Rohroberfläche gleichförmig in Längsrichtung
des Rohres hergestellt worden sind.
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Das zunächst genannte Wärmeübertragungs-Rohr, das durch Sintern hergestellt
worden ist, hat den Nachteil, daß es beim Sintervorgang erweicht werden und an Festigkeit
verlieren kann und daß die Herstellungskosten verhältnismäßig hoch sind.
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Das andere Rohr mit gebogenen Rippen oder Flügeln hat den Nachteil,
daß die Rippen oder Flügel zunächst eine verhältnismäßig große Höhe aufweisen müssen,
so daß sie kaum auf der Oberfläche von Rohren aus harten Metallen, wie etwa nichtrostendem
Stahl hergestellt werden können, die eine schlechte Biegeverformbarkeit aufweisen.
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Unter diesen Umständen befaßt sich die Erfindung damit, ein Wärmeübertragungs-Rohr
gemäß dem Gattungsbegriff zu schaffen,
das eine verbesserte Wärmeübertragung
aufgrund von Ausspao rungen auf der Rohroberfläche zur Bildung von verbleibenden
Restblasen aufweist, die die Siedekern- oder Siedekeimbildung fördern Im übrigen
soll das erfindungsgemäße Rohr leicht und auch bei verhältnismäßig hartem Material
gut herstellbar sein.
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Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil
des Hauptanspruchs und des ersten Verfahrensanspruchs.
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Die Erfindung befaßt sich mit einem Wärmeübertragungs-Rohr das ringförmige
oder schraubenförmige Aussparungen oder Nuten auf der Oberfläche aufweist, die zur
Außenseite hin zu schmalen Spalten zusammenlaufen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden zunächst eine Anzahl von Rippen auf der Rohrober fläche mit Hilfe eines geeigneten
Werkzeugs hergestellt, und diese Rippen werden sodann an ihren oberen Enden verformt,
so daß ringförmige oder schraubenförmige Nuten entstehen, die über die erwähnten
Spalten mit der Außenseite verbunden sind Diese Rippen bilden eine große Wärmeübertragungsfläche,
und in den Nuten oder Aussparungen werden Blasen gebildet, die zur Siedekern- oder
Siedekeimentstehung führen. Dadurch verbessert sich der Wärmeübergang.
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Zwischen nebeneinanderliegenden Nuten oder Aussparungen können zusätzliche
Rippen oder Flügel vorgesehen sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden zunächst
dickwandige, ringförmige oder schraubenförmige Rippen auf der Rohroberfläche hergestellt,
deren Schutt sodann in einem oder mehreren Schritten durch ein scheibenförmiges
Werkzeug zusammengedrückt werden, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser
des Werkzeuges zur Rippenbildung ist und dessen Größe geringer als der Abstand der
Rippen ist.
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Auf diese Weise wird nur ein Teil der Rippen zur Bildung von Nuten
und Spalten zusammengedrückt, während Flügel oder Rip-
pen zwischen
nebeneinanderliegenden Nuten zurückbleiben.
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Es sind bereits verschiedene Oberflächen zur Förderung der Heiz- und
Siedewirkung von Wärmetauscher-Rohren vorgeschlagen worden. Die bekannten Rohre
waren jedoch nachteilig in Bezug auf die Wärmeübertragung, die Herstellung, die
Herstellungskosten etc., obwohl sie auch einige Vorteile aufweisen.
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Beispielsweise besteht bei einen oben erwähnten Rohr mit poröser,
gesinterter Oberfläche aus Metallpulvern die Gefahr einer Störung der Wärmeübertragung
durch Verstopfen der Poren.
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Bei Rohren mit feinen Aussparungen oder Nuten, die mit der Außenseite
verbunde sind, sind die Aussparungen oder Nuten in einer Richtung angeordnet, d.h.
nur in Umfangsrichtung des Rohres, so daß es schwierig und kostspielig ist, den
Wärmeübergang durch engere Zusammenlegung der Nuten zu vergrößern.
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Bisher ist noch kein Rohr vorgeschlagen worden, das nur in einem Schritt
herstellbar ist und bei Installation in einem Wärmetauscher so einfach wie ein übliches,
glattes Rohr oder ein Rohr mit niedrigen Flügeln gehandhabt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird der Wärmeübergang nicht nur durch Nuten in Umfangsrichtung,
sondern auch in Axialrichtung gefördert.
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Erfindungsgemäß können die ringförmigen oder schraubenförmigen Nuten
in dem Rohr einen Querschnitt aufweisen, der in Längsrichtung der Nuten unregelmäßig
ist, und die Nuten können Spalten aufweisen, die unregelmäßig ausgebildet sind und
über die die Nuten mit der Umgebung in Verbindung stehen. Im übrigen können kleinere
Nuten unter der äußeren Oberfläche des Rohres in Axialrichtung in beliebiger Umfangsverteilung
vorgesehen sein, die die größeren Nuten und Spalten oder nebeneinanderliegende Oeffnungen
miteinander verbinden. Die kleineren Nuten können ebenfalls Spalten oder öffnungen
aufweisen, durch die sie mit der Außenseite in Verbindung stehen. Die kleineren
Nu-
ten und ihre Spalten oder öffnungen können an beiden Seiten
und am Boden im Bedarfsfalle konvexe oder konkave Flächen aufweisen.
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Bei der Durchführung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, Flügel
auf der Rohraußenseite vorzusehen, die sich mit ihrer Längsrichtung in Umfangsrichtung
zwischen nebeneinanderliegenden größeren Nuten erstrecken und zwischen aufeinander
folgenden kleineren Nuten enden. Im übrigen kann nach Wunsch die gesamte Oberfläche
des Rohres geriffelt sein, ausgenommen die vorspringenden Flügel.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erz in dung
anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein Schnitt durch ein WSrmeUbertragungsrohr der vorliegenden
Erfindung; Fig. 2 veranschaulicht die Herstellung eines Rohres nach Fig. 1; Fig.
3 zeigt das Verfahren zur Bildung des Rohres mit 3 Rollwerkzeugen, die miteinander
verbunden sind; Fig. 4 ist ein Schnitt entlang der Linie X-O-Y in Fig. 3; Fig. 5
ist ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform des Rohres der Erfindung; Fig.
6 veranschaulicht die Herstellung des Rohres der Fig. 5; Fig. 7 ist eine Seitenansicht
eines scheibenförmigen Druckverformungswerkzeugs zur Herstellung des Rohres der
Fig. 5;
Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch ein abgewandeltes Rohr;
Fig. 9 und 10 veranschaulichen die Herstellung eines Rohres der Fig. 8; Fig. t1
ist eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Wärmeübertragung durch das Rohr
der zweiten Ausführungsform; Fig. 12 ist eine vergrößerte Teildarstellung der Oberfläche
des Rohres gemäß einer dritten Ausführungsforn der Erfindung; Fig. 13 ist eine teilweise
vergrößerte Darstellung ähnlich Fig. 12, 3jedoch ohne geriffelte Oberfläche; Fig.
14 veranschaulicht die Herstellung der- Oberfläche der dritten Ausführungsform und
die hierzu verwendeten Werkzeuge; Fig. t4-1 ist eine Draufsicht.auf ein erstes Druckverformungswerkzeug
gemäß Fig. 14; Fig. 14-2 ist eine vergrößerte Draufsicht auf vorspringende Zähne
des Werkzeugs der Fig.
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14-1; Fig. 15 ist eine vergrößerte Teildarstellung einer Form, die
sich durch das Werkzeug der Fig. 14-1 ergibt; Fig. 16 ist eine vergrößerte Teildarstellung
der Rohroberfläche der Ausführungsform der Fig. 12 ohne Flügel;
Fig.
17 ist eine vergrößerte Teildarstellung der Rohroberfläche dieser Ausführungsform
ähnlich Fig. 13, jedoch ohne Flügel; Fig. 18 ist eine grafische Darstellung zur.
Veranschaulichung des Siedewärmeübergangs an der Außenseite eines Rohres der 5.
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und 6. Ausführungsform der Erfindung im Vergleich mit einem herkömmlichen
Rohr.
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Anschließend soll zunächst eine erste Ausführungsform der Erfindung
erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt im Schnitt eine Wärmeübertragungs-Rohr der vorliegenden
Erfindung zur Verwendung in Siede-Wärmetauschern.
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Das Rohr besteht aus einem Metallrohr 1 aus Kupfer, Aluminium, nichtrostendem
Stahl und dgl. mit ringförmigen oder schraubenförmigen Nuten 2 auf der Oberfläche,
die hinterschnitten sind bzw. zu schmalen Spalten 3 mit einer mittleren Breite unter
0,13 mm zusammenlaufen, so daß die Außenfläche im wesentlichen geschlossen ist.
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Anschließend soll ein Verfahren zur Herstellung derartiger Wärmeübertragungs-Rohre
erläutert werden.
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Fig. 2 zeigt ein Rollwerkzeug 7, das aus rippenbildenden Scheiben
4 und wenigstens zwei quetschenden oder drückenden Scheiben 5,6 in zwei Stufen zusammengesetzt
ist. Die rippenbildenden Scheiben 4 werden auf die Oberfläche des Rohres gedrückt,
so daß sie Rippen 8 durch Rollen bilden. Die Rippen 8 können einzeln oder in größerer
Anzahl hergestellt werden und ringförmig oder schraubenförmig umlaufen.
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Anschließend an die Bildung der Rippen 8 wird die obere Seite der
aufeinanderfolgenden Rippen 8 zusammengedrückt und in zwei Stufen durch die Scheiben
5,6 verformt. Die Scheiben 5,6 weisen eine Breite D auf, die größer als die Teilung
oder der Abstand der Rippen 8 ist. Der Durchmesser der Scheiben 5,6 ist kleiner
als derjenige der die Rippen bildenden Scheiben 4, so daß am Boden zwischen aufeinanderfolgenden
Rippen 8 die Nuten 2 mit schmalen Spalten 3 an der Oberfläche entstehen, durch die
die Nuten mit der Außenseite des Rohres in Verbindung stehen, wie in Fig. 2 gezeigt
ist.
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Die Scheiben 5,6 weisen die gleiche Breite D, jedoch unterschiedliche
Durchmesser auf. Auf diese Weise erfolgt eine erste Verformung der oberen Seite
der Rippen 8 durch die Scheibe 5, die den kleineren Durchmesser aufweist, und sodann
eine weitere, abschließende Verformung durch die Scheibe 6 der zweiten Stufe, die
einen größeren Durchmesser aufweist.
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In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß übermäßige Spannungen am
Boden der Rippen 8 erzeugt werden, wenn der gesamte obere Bereich der Rippen 8 in
einem Arbeitsgang verformt wird, so daß sich die Rippen verwerfen können. Aus diesem
Grunde liegen die Scheiben 5 und 6 vorzugsweise in einem Abstand voneinander entfernt,
der dem Abstand der Rippen entspricht. Auf diese Weise wird nur eine Seite der Rippen
bei einem Arbeitsgang verformt, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Das Roilwerkzeug 7, da-s
die Scheiben 4,5 und 6 in axialer Anordnung- umfaßt, kann auch in anderer Weise
ausgebildet sein..
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Beispielsweise können die Nuten und Spalten mit Hilfe von 3 Rollwerkzeugen
7A, 7B, 7C hergestellt werden, die in Abständen von 120° angeordnet sind, wie aus
Fig. 3 und 4 hervorgeht In dIesem-Falle sind die drei Rollwerkzeuge axial gegeneinander
in einem Abstand versetzt, der einem Drittel des Abstandes der Rippen 8 entspricht,
und die Scheiben 4 sowie die Scheiben 5,6 sind entsprechend dem Schraubenwinkel
der Rippen 8 angeordnet.
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Wenn man den Außendurchmesser der Rippen 8 mit d bezeichnet, so ergibt
sich der Schraubenwinkel X aus der Gleichung tan α = P . In dieser Gleichung.
bezeichnet P den Rippenab-# d stand oder die Rippenteilung. Wenn zwei oder drei
Gänge der Rippen 8 hergestellt werden, ergibt sich der Schraubenwinkel 2P 3P aus
den Gleichungen tan α = und tan = . Diese #d #d Berechnung des Schraubenwinkels
wird zugleich verwendet zur Bestimmung des Montagewinkels der Scheiben 5,6.
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Weiterhin können die quetschenden oder drückenden Scheiben 5,6 auch
in anderer Form ausgeführt sein. Beispielsweise kann eine andere Anzahl als 2 Stufen
verwendet werden. Insbesondere kann in einer Stufe oder in 3 Stufen gearbeitet werden.
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Im übrigen können im Gegensatz zu dem vorliegenden Beispiel, bei dem
die Rippen unmittelbar nach der Bildung durch die Scheiben 4,5 und 6 bei koaxialer
Scheibenanordnung verformt
werden, die Bildung der Rippen und die
Verformung der-Rippen auch getrennt durchgeführt werden.
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Außerdem müssen die Rippen 8 nicht gerollt werden, sondern sie können
beispielsweise auch geschnitten werden.
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Das oben beschriebene Verfahren ist vorzuziehen, da es eine einfache
Einstellung der Größe der Nuten 2 und der Breite .W der Spalten durch einfache Änderung
der Durchmesser der Scheiben 5 und 6 ermöglicht. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
außerdem nur eine geringe Druckverformung des Materials bei der Herstellung der
Rippen 8 stattfindet, kann ein Oberflächenzustand mit ausgezeichneter Wärmeübertragung
ohne weiteres erreicht werden, und zwar auch dann, wenn die Rohre aus hartem Material,
wie etwa nicht rostendem Stahl bestehen.
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Bei der üblichen Herstellung von Rippen weisen die Rippen- eine Höhe
von t,2 bis 1,5 mm auf, wenn etwa 7 bis 10 Rippen pro cm vorgesehen sind. Die Höhe
beträgt 0-,8 mm, wenn 74 Rippen pro cm angebracht werden. Bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren -sind die Rippen nur 0,5 bis 0,8 mm hoch. Der Abstand zwischen aufeinander
folgenden, Rippen, der bei herkömmlichen Verfahren 1 mm bzw. 0,6 bis 0,7 mm bei
7 bzw. 10 Rippen pro cm betrug, kann auf 0,3 bis 0,4 mm bei demerfindungsgemäßen
Verfahren verringert werden. Das bedeutet, daß die Kompressionsverformung bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren außerordentlich gering ist.
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Da bei der vorliegenden Erfindung der Durchmesser des Rohres ausreichend
klein gehalten werden kann und da der Lückenbereich in gewünschter Weise ausgeführt
werden kann, kann das erfindungsgemäBe Rohr in die Rohrplatte in einfacher-Weise
eingeführt werden, wie es bei herkömmlichen glatten Rohren oder Rohren mit niedrigen
Rippen der Fall ist.
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Anschließend soll ein Versuchsbeispiel wiedergegeben werden; das sich
auf die erste Ausführungsform der Erfindung bezieht.
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Beispiel 1 Ein Kupferrohr 1 mit 18,88 mm Außendurchmesser und 1,19
mm Wandstärke wird mit einem Rollwerkzeug 7 gemäß Fig. 2 behandelt. Das Rollwerkzeug
7 umfaßt rippenbildende Scheiben 4 mit einem Außendurchmesser von -52,45 mm, einer
Breite von 0,35 mm am äußeren Ende und einem Abschrägungswinkel auf bei den Seitenwänden
von 40. Druck-Scheiben 5 und 6 in einer ersten und zweiten Stufe weisen Außendurchmesser
von 51,2 bzw 51,-6 mm und eine gemeinsame Breite von 0,8 -nun auf.
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Während der Bearbeitung des Kupferrohres 1 durch dieses Rollwerkzeug
werden zunächst Rippen 8 von 0,75 mm Höhe und einer Teilung von 1-4 Rippen pro cm
hergestellt. Anschließend werden die Rippen zusammengedrückt, so daß ein Wärmeübertragungs-Rohr
für Siede-Wärmetauscher entsteht, dessen Nuten 2 0w4 mm-und dessen Selten 3 -D,035
mm breit sind. Ein derartiges Rohr ist in Fig. 1 gezeigt.
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Bei dieser Ausführungsform gestatten die Nuten die Aufnahme von Blasen,
die die Kernbildung -beim Sieden der Flüssigkeit fördern, auf der -Rohroberfläche,
mit der sie durch die Spalten in Verbindung stehen, so daß ein guter Wärmeübergang
gewährleistet ist. Da im übrigen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der vorliegenden
Ausführungsform nur eine geringe Verformungsarbeit erforderlich rist, ist die Herstellung
einfach, und zwar auch bei Rohren aus hartem Material. Es entsteht eine gleichmäßige
Oberfläche über die gesamte Länge des Rohres, so daß die Änderung der Wärmeübertragung
über die Rohroberfläche verringert ist.
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Anschließend soll die zweite Ausführungsform der Erfindung anhand
von Fig. 5 bis 13 erläutert werden. Fig. 5 zeigt im Schnitt eine Ausführungsform
eines Wärmeübertragungs-Rohres für Siede-Wärmetauscher gemäß der zweiten Ausführungsform.
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Dieses Rohr ist aus einer Oberfläche mit einer Anzahl von ringförmigen
oder schraubenförmigen Nuten 12 und schmalen
Spalten 13 mit einer
mittleren Breite unter 0,13 mm versehen, wie es bereits bei der ersten Ausführungsform
beschrieben wurde. Außerdem weist das Rohr ringförmige oder schraubenförmige Rippen
14 auf seiner Oberfläche 11a auf, die sich zwischen nebeneinanderliegenden Spalten
13 befinden.
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Ein Wärmeübertragungsrohr mit einer derartigen Oberfläche kann auf
folgende Weise hergestellt werden. Zunächst soll als Beispiel ein Verfahren beschrieben
werden, bei dem ein Rollwerkzeug mit rippenbildenden Scheiben 15 in koaxialer Anordnung
mit zweistufigen Druckverformungs-Scheiben 16,17 verwendet wird, wie es in Fig 6
gezeigt ist Zunächst werden die Scheiben 15 in die Oberfläche des Rohres aus metallischem
Material, wie etwa Kupfer, Aluminium, nicht rostender Stahl etc. eingedrückt, so
daß dickwandige Rippen 19 auf der Oberfläche entstehen Die dickwandigen Rippen 19
können in einem Arbeitsgang einzeln oder in größerer Anzahl hergestellt werden und
ringförmig oder schraubenförmig verlaufen.
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Nach der Bildung der dickwandigen Rippen 19 auf der Rohroberfläche
werden die zweistufigen Scheiben 16 und 17 zur Druckverformung eingesetzt. Die Scheiben
16,17 weisen eine Breite D auf, die kleiner als der Abstand P der Rippen ist und
deren äußere. Durchmesser kleiner als diejenigen der Scheiben 15 sind.
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Dadurch werden die Schultern die dickwandigen Rippen 19 zusammengedrückt
und verformt, so daß sich am Fuß der Rippen die Nuten 12 bilden, wie insbesondere
in dem .strichpunktierten Kreis in Fig. 6 angedeutet ist Diese Nuten stehen mit
der Außenseite durch schmale Spalten 13 in Verbindung. Im übrigen entstehen dünnwandige
Rippen 14, deren Breite gleich der Differenz zwischen dem Rippenabstand P und der
Breite D der Scheiben 16,17 ist. Diese dünnwandigen Rippen 14 befinden sich auf
der Oberfläche des Rohres zwischen jeweils zwei Spalten 13.
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Die Scheiben 16,t7 dieser Ausführungsform weisen die gleiche Breite
Dr jedoch unterschiedliche Durchmesser auf. Zunächst werden die Schultern der dickwandigen
Rippen 19 leicht durch die Scheibe 16 der ersten Stufe mit kleinerem Durchmesser
verformt, und sodann wird die Verformung beendet durch die Scheibe 17 der zweiten
Stu-fe, die einen größeren Durchmesser aufweist.
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Die Scheiben 16, 17 weisen vorzugsweise Eckwinkel α auf, die
kleiner als 900 sind, wie in Fig. 7 gezeigt ist, so daß diese Ecken als Schneidkanten
verwendet werden können.
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Es würde eine übermäßig hohe Spannung am Fuß der Rippen 19 enstehen,
wenn die gesamten Rippen 19 in einem Schritt verformt würden, so daß sich die Rippen
verwerfen könnten. Aus diesem Grunde sind vorzugsweise zwei Scheiben 16, 17 vorgederen
deren Abstand dem Rippenabstand entspricht, so daß bei einem Arbeitsgang nur eine
Seite der Rippen zusammengedrückt und verformt wird, wie Fig. 6 zeigt.
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Fig.- 8 zeigt ein Wärmeübertragungsrohr mit einer Abwandlung der
zweiten Ausführungsform der Erfindung. Dieses Wärmeübertragungsrohr weist Stufen
20 auf beiden Seitender dünnwandigen Rippen 14 auf, die bei der Druckverformung
herges'tellt worden sind. Ein derartiges Rohr wird durch ein Rollwerkzeug 18 gemäß
Fig. 9 hergestellt, das weitgehend mit demjenigen -der Fig. 6 übereinstimmt, bei
dem jedoch in der zweiten Stufe die Scheibe 17 schmaler als die Scheibe 16 ist.
Folglich werden die Stufen 20 gebildet, deren Höhe'- der Halbdifferenz zwischen
den Außendurchmessern der Scheiben 16,17 entspricht.-Eine weitere Ab'wandlungsmög'lichkei't'
des Rollwerkzeugs 18 istin Fig. 10 gezeigt. In diesem Falle ist zwischen der rippenbildenden
Scheibe 15 und der Scheibe 16 der ersten Druckverformungsstufe eine zusätzliche
Scheibe 21 vorgesehen, deren Durchmesser kleiner als derjenige der Scheibe 16 der
ersten Druckverformungsstufe und deren Breite gleich einem oder meh-
reren
Rippenabständen ist, so daß die unregelmäßig geformten Enden der dickwandigen Rippen
19 geglättet werden und eine gleichmäßige Endbearbeitung sichergestellt ist.
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Obwohl hier die Druckverformungsscheiben als zweistufig oder dreistufig
beschrieben worden sind, können sie einstufig oder vier- und mehrstufig ausgebildet
sein Die Scheiben des Rollwerkzeugs müssen nicht auf einer Achse zusammengefaßt
sein, sondern können die einzelnen Arbeitsgänge getrennt durchführen. Die dickwandigen
Rippen 19 müssen nicht gerollt, sondern können beispielsweise auch gedreht werden.
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Bei diesem Verfahren kann die Grobe der Nuten 12 und die Breite W
der Spalten 13 auf einfache Weise eingestellt werden, indem die Durchmesser der
Scheiben 16,17 geändert werden. Außerdem können gleichzeitig Nuten 12 und dünnwandige
Rippen 14 hergestellt werden. Da auch bei diesem Verfahren sehr wenig Kompressionsverformung
des Materials bei Herstellung der dickwandigen Rippen 19 erforderlich ist, kann
eine Oberfläche mit ausgezeichneter Wärmedbertragung erzielt werden, und zwar auch
dann, wenn das Rohr aus hartem Material wie nichtrostendem Stahl besteht. Auch bei
dieser Ausfffhrungsform können die Rippen erfindungsgemäß eine Höhe von 0,5 bis
0,8 mm, im Gegensatz zu den oben erwähnten herkömmlichen Verfahren aufweisen.
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Auch bei dieser Ausführungsform kann der Rippenabstand auf 0,3 bis
0,4 reduziert werden, da nur sehr geringfügige Verformungen erforderlich sind.
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Die folgenden Beispiele 2,3 und 4 beziehen sich auf die zuvor beschriebene
zweite Ausführungsform der Erfindung.
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Beispiel 2 Ein Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von 18,88 mm
und einer Wandstärke von 1,19 mm wurde mit Hilfe des Rollwerkzeugs 18 gemäß Fig.
6 bearbeitet.
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Das Rollwerkzeug 18 umfaßte rippenbildende Werkzeuge 15 mit einem
Außendurchmesser von 52,45 mm, einer Breite von 0,35 mm am äußeren Ende und einem
Abschrägungswinkel auf beiden Seitenwänden von 40. Weiterhin waren druckverformende
Scheiben 16,17 in der ersten und zweiten Stufe mit Außendurchmessern von 51,2 und
51,6 mm und einer gemeinsamen Breite von 0,65 mm vorgesehen.
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Während der Bearbeitung des Kupferrohres durch dieses Rollwerkzeug
wurden zunächst dickwandige Rippen 19 mit einer Höhe von 0,75 mm und einer Anordnung
von 14 Rippen pro cm hergestellt. Die Rippen wurden verformt, so daß Nuten 12 mit
0,4 mm Tiefe und Spalten 13 mit 0,03 mm Breite sowie dünnwandige Rippen 14 mit 0,35
mm Höhe und 0,1 mm Breite entstanden, wie es in Fig. 5 schematisch gezeigt ist.
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Beispiel 3 Ein Kupferrohr mit 18,88 mm Außendurchmesser und 1,19 mm
Wandstärke wurde mit Hilfe eines Rollwerkzeugs 18 gemäß Fig. 9 bearbeitet. Dieses
leicht abgewandelte Rollwerkzeug 18 umfaßt rippenbildende Scheiben 15 mit einem
Außendurchmesser von 52,45 mm, einer Breite am äußeren Ende von 0,35 mm und einem
Abschrängungswinkel auf beiden Seitenwänden von 40 sowie druckverformende Scheiben
16 und 17 der ersten und zweiten Stufe mit Außendurchmessern von 51,4 und 51,7 mm
sowie Breiten von 0,65 und 0,48 mm.
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Während der Bearbeitung des Kupferrohres durch dieses Rollwerkzeug
der Fig. 9 entstanden zunächst dickwandige Rippen 19 mit einer Höhe von 0,8 mm und
einer Anordnung von lo Rippen pro cm. Anschließend wurden diese Rippen verformt,
so daß Nuten 12 mit 0,35 mm Tiefe und Spalten 13 mit 0,025 mm Breite und weiterhin
dünnwandige Rippen 14 mit 0,45 mm Höhe und 0,12 mm Breite entstanden. Ferner wurden
Stufen 20 mit 0,15 mm Höhe und 0,08 mm Breite gebildet.
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Beispiel 4 Fig. 11 zeigt in grafischer Darstellung den gemessenen
Siede-Wärmeübertragungskoeffizienten pro Längeneinheit des Wärmeübertragungs-Rohres
A des Beispiels 2 bei Verwendung des Kältemittels Freon R-11 im Vergleich zu einem
Wärmeübertragungs-Rohr B aus Kupfer mit herkömmlichen Rippen von 0,86 mm Höhe und
einer Anordnung von 14 Rippen pro cm.
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Aus Fig. ii geht hervor, daß das Wärmeübertragungs-Rohr A der vorliegenden
Erfindung einen Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist, der wesentlich höher als
derjenige des herkömmlichen Rohres B liegt.
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Wie zuvor beschrieben wurde, weist das erfindungsgemäße Wärmeübertragungs-Rohr
auf seiner Oberfläche eine Anzahl von Nuten auf, die hinterschnitten sind bzw. mit
der Außenseite über einen schmalen Spalt in Verbindung stehen, so daß Hohlräume
auf der Rohroberfläche verbleiben, die die Bildung von Siedekernen der Flüssigkeit
niedriger Temperatur fördern, während Rippen zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche
auf dem Rohr dienen. Daher ist die Wärmeübertragung des erfindungsgemäßen Wärmeübertagungs-Rohres
besonders gut, wenn es zur Erwärmung einer Flüssigkeit niedriger Temperatur verwendet
wird, die Blasen enthält. Da im übrigen die erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
nur sehr wenigs Verformungsarbeit erfordern, ist die Herstellung der Rohre auch
bei harten Materialien einfach, und es ergibt sich eine glatte und gleichmäßige
Oberfläche über die gesamte Länge des Rohres, so daß die Wärmeübertragungseigenschaften
über die gesamte Rohrfläche nur sehr geringen Änderungen unterliegen.
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Anschließend soll die dritte Ausführungsform der Erfindung anhand
von Fig. 12 und 13 erläutert werden. Diese Figuren zeigen in vergrößertem Maßstab
einen Ausschnitt der Wärmeübertragungsfläche eines Wärmeübertragungs-Rohrs gemäß
einer
dritten Ausführungsform. Ringförmige oder schraubenförmige
Nuten 101, die um das Rohr herum verlaufen, liegen in gewünschtem Axialabstand unter
der Oberfläche des Rohres.
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Außerdem sind kleinere Nuten 103 in-Axialrichtung des Rohres unter
dessen Oberflächen zwischen nebeneinanderliegenden Nuten-101 in gewünschtem Abstand,
bezogen auf den Umfang des Rohres vorgesehen.- Die Bereiche der umlaufenden Nuten
T01, ~die sich mit den kleineren Nuten 103 schneiden, weisen eine unterschiedliche
Form und Größe gegenüber den Zwischenbereichen-der Nuten auf. Die Form und Größe
der umlaufenden Nuten unterscheidet sich in vers-chiedener Weise in Längsrichtung
der Nuten, und zwar entsprechend der Änderung der Position der angrenzenden kleinen-
Nuten- 03- in Bezug auf die umlaufenden Nuten 101.
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Diese Änderungen der Größe und Form der umlaufenden Nuten 101 führt
zu einer verbesserten Siedekernbildung der Flüssigkeit im Vergleich zu Nuten mit
konstanter Größe und Form auf der gesamten Länge. Mit 102 sind im wesentlichen durchlaufende
Spalten bezeichnet, durch die die umlaufenden Nuten 10t mit der Außenseite in Verbindung
stehen. Weiterhin sind die umlaufenden Nuten 101 in den Abständen der kleineren
Nuten 102, durch die dadurch gebildeten öffnungen mit der Umgebung verbunden. Die
Nuten 102, die eine unregelmäßige Form aufweisen und Wellenlinien, Ausbauchungen
oder Einbuchtungen bilden, dienen ebenfalls zur Förderung der Siedekernbildung gegenüber
einfachen, geraden Formen. Die maximale mittlere Breite des Spalt 102 liegt bei
0,13 mm oder darunter.
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Die kleineren Nuten 103 stehen ebenfalls mit der Außenseite ü-ber
Spalten 104 in Verbindung, deren maximale mittlere Breite bei 0,13 mm oder darunter
liegt.
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Die kleinen Nuten 103 können eine Gesamtlänge aufweisen, die im wesentlichen
gleich derjenigen der schraubenförmig oder ringförmig umlaufenden Nuten 101 ist.
Auf diese Weise kann die Oberfläche dieser Ausführungsform eine sehr verstärkte
Dichte
der Siedekerne oder Siedekeime aufweisen, so daß sich eine
verbesserte Wärmeübertragung gegenüber der zuvor erläuterten Ausführungsform ergibt,
die lediglich die umlaufenden Nuten 101 aufweist. Dieser Vorteil tritt auch dann
ein, wenn die kleinen Nuten 103 als reine Nuten ausgebildet sind, da auch derartige
reine Nuten zur Gliederung der Oberfläche des Rohres und damit zur Keim- oder Hohlraumbildung
zur Förderung des Siedens beitragen.
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Die aufragenden Flügel 105, die zwischen aufeinander folgenden umlaufenden
Nuten 101 und in Umfangsrichtung zwischen den kleinen Nuten 103 liegen, dienen zur
Verbesserung der Wärmeübertragung, insbesondere wenn die Flüssigkeit turbulent strömt
und reich an Blasen ist.
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Eine geriffelte Oberfläche 106 gemäß Fig. 12, die sich über das gesamte
Rohr, ausgenommen die Flügel 105 erstreckt, führt zu einer Wärmeübertragungsoberfläche
mit einer gröBeren Anzahl von Siedekernen und damit zu einer verbesserten Wärmeübertragung
als eine flache Oberfläche gemäß Fig. 13.
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Die erwähnten Flügel 105 und die geriffelte Oberfläche 106 können
jedoch fortgelassen werden.
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Auf der anderen Seite kann das erfindungsgemäße Wärmeübertragungs-Rohr
leicht durch Druckverformung nach der Bildung der Rippen auf einer glatten Rohroberfläche
hergestellt werden.
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Die Rippen können ringförmig oder schraubenförmig ausgebildet und
gerollt oder geschnitten sein. Es können einzelne Rippen oder mehrere Rippen vorgesehen
sein. Die Bildung der Rippen und die Druckverformung der Rippen können gleichzeitig
oder unabhängig voneinander ausgeführt werden.
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Anschließend soll ein Verfahren zur Herstellung des W&rmeübertragungs-Rohres
der vorangegangenen Ausführungsform beschrieben werden.
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Fig. 14 veranschaulicht ein Beispiel des Verfahrens mit einer Anzahl
von Werkzeugen, die bei dem Verfahren von der Bildung der Rippen bis zur Vollendung
der Druckverformung der Rippen verwendet werden und in diesem Beispiel auf einer
gemeinsamen Drehachse angebracht sind. Das Rohr ist im Schnitt entlang seiner Längsachse
in vergrößertem Maßstab dargestellt.
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Der strichpunktiert eingekreiste Bereich X zeigt den Zustand der Rohroberfläche
nach Beendigung des Vorganges.
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In Fig. 14 ist mit 107 eine Scheibe des Werkzeugs zur Bildung von
Rippen 107' auf der Rohroberfläche bezeichnet, während sich die Bezugsziffer 108
auf eine Scheibe der ersten Druckverformungsstufe bezieht, die eine Anzahl von vorspringenden
Zähnen auf dem gesamten Umfang aufweist, wie Fig. 14-1 zeigt.
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Der Durchmesser der Scheibe 108 ist etwas kleiner als derjenige der
die Rippen bildenden Scheibe 107, und der Abstand der Zähne auf dem Umfang ist nach
Wunsch gewählt. Jeder der Zähne sollte jedoch eine gewisse Breite in Umfangsrichtung
aufweisen, die mit S in Fig. 14-2 bezeichnet ist.
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Fig. 15 zeigt ein Beispiel der Form der Rippen 107' nach der Formung
durch die Scheibe 108 der ersten Druckverformungsstufe.
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Die Scheibe 108, die die in Fig. 14-1 in einem strichpunktierten Kreis
Y und in Fig. 14-2 gezeigten Zähne aufweist, wird über den Kamm der Rippen 107'
in Richtung des Pfeiles 111 in Fig. 15 gerollt, so daß die Rippen 107' zusammengedrückt
und zahnradartig verformt werden, wie es der Form der Zähne der Scheibe 108 entspricht.
Bei diesem Rollvorgang wird das Metallmaterial auf dem Grund 107" zwischen den Rippen
in Richtung senkrecht zu den Rippen 107' bzw. dem Pfeil 111 über den Grund 107"'
zwischen nebeneinanderliegenden Rippen 107' ausgebreitet. Die Ausbreitung ist am
größten im Bereich des Grundes 107" zwischen den Rippenzähnen. Vorzugsweise wird
bei diesem Verformungsprozeß die Druckspannung, die in dem Metall unmittelbar unterhalb
des Grundes 107" zwischen den
Rippen-Zähnen erzeugt wird, durch
die Form der Scheibe 108 und die Verteilung der Kompressionskraft verringert, so
daß die Verformung nicht in zu hohem Maße zu Wellenbildungen führt.
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Wenn die Rippen 107' jeweils einzeln hergestellt werden, werden sie
einzeln durch das Werkzeug 108 verformt. Wenn mehrere Rippen 107' gleichzeitig zu
verformen sind, kann dies mit Hilfe einer einzigen Scheibe 108 oder einer Anzahl
von zusammengesetzten Scheiben 108 erfolgen. In jedem Falle haben die Rücken und
Täler aufeinanderfolgender Rippen 107' die jeweils gewünschte räumliche Zuordnung
zueinander.
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Anschließend wird ein zweites druckverformendes Werkzeug oder eine
Scheibe 109,109-1 gemäß Fig. 14 auf der oberen Seite der Rippen 107' eingesetzt,
nachdem die Zahnradform der Rippen hergestellt worden ist. Die Scheibe 109 weist
einen Außendurchmesser auf, der üblicherweise etwas kleiner als derjenige der Scheibe
108 ist. Die Dicke der Scheibe 109 ist geringer als der Abstand w der Rippen 107'.
Die Scheibe 109-1 hat einen Außendurchmesser, der etwas größer als derjenige der
Scheibe 109 ist. Die äußeren Kanten der Scheiben 109 und 109' der zweiten Druckverformungsstufe
sind etwas geschärft und weisen einen Winkel von vorzugsweise allenfalls 900 auf,
so daß sie eine Scherwirkung ausüben.
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Fig. 13 zeigt ein Beispiel der Rohroberfläche, die durch die Scheiben
109,109-1 der zweiten Druckverformungsstufe bearbeitet worden ist. Diese Oberfläche
wird dadurch hergestellt, daß die Schultern nebeneinanderliegender, zahnradförmiger
Rippen 107' von oben her im Abstand des Rippengrundes 107"' zwischen nebeneinanderliegenden
Rippen durch die Scheiben 109, 109-1 verformt werden. Dadurch werden die Rippen
107' an beiden Seiten sowie an der vorderen und rückwärtigen Seite zusammengedrückt
und verformt, wobei die dünnwandigen Flügel 105 stehenbleiben und die Nuten 101
im Bereich des Grundes 107"' zwischen den Rippen sowie kleine Nuten 103 in den Be-
reichen
107" verbleiben.
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Während in Fig. 14 zwei Scheiben 109,109-1 gezeigt sind, können mehr
als zwei Scheiben unterschiedlicher Durchmessef und Breite verwendet werden, oder
das Verfahren kann auch mit einer einzige Scheibe ausgeführt werden.
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Wenn die dünnwandigen Flügel 15 entfallen sollen, wird die Breite
der Scheibe 109 größer als der Abstand w der Rippen angelegt. In diesem Falle wird
die gesamte obere Seite der Rippen 107' zusammengedrückt und verformt, so daß eine
Oberfläche ohne Flügel gemäß Fig. 17 entsteht.
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Eine Oberfläche gemäß Fig. 12 wird gebildet mit Hilfe einer Riffelscheibe
110, deren Außendurchmesser etwas größer als derjenige der Scheibe 109-1 und deren
Breite gleich oder etwas kleiner als die Breite der Scheibe 109-1 ist, wie in Fig.
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14 gezeigt ist. Diese Oberfläche, die einen besseren Wärmeübergang
und eine bessere Stabilität ergibt, ist in Fig. 12 und 16 in zwei Varianten gezeigt.
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Die Form und die Größe der Riffelscheibe kann nach Wunsch ausgewählt
sein. Die Breite der Riffelscheibe ist jedoch vorzugsweise größer als der Rippenabstand
w, wenn die Breite der Scheibe 109 größer als dieser Abstand ist. In diesem Falle
entsteht eine Oberfläche ohne Flügel 105, wie sie in Fig. 16 gezeigt ist.
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Im- folgenden soll die vorangehende Ausführungsform der Etfindung
anhand von Versuchsbeispielen erläutert werden.
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Bei-spiel 5 Rippen 107' in zwei Gängen werden mit einer Anordnung
von 14 Rippen pro cm auf der Oberfläche eines Kupferrohres hergestellt, dessen Außendurchmesser
18,88 mm und dessen Wandstärke 1,35 mm beträgt. Es wird das in Fig. 14 gezeigtellrerfahren
angewendet. Sodann wird zunächst die erste Druckwerfor-
mung mit
Hilfe der zahnradförmigen Scheibe 108 mit einem Durchmesser von 51,6 mm und 216
Zähnen auf dem Umfang durchgeführt. Der zweite Schritt der Druckverformung erfolgt
in zwei Stufen mit Hilfe einer Scheibe 109 von 51,2 mm Durchmesser und 1,4 mm Dicke
und einer weiteren Scheibe 109-1 von 51,7 mm Durchmesser und 1,4 mm Dicke. Die Dicke
oder Breite von 1,4 mm der Scheiben 109 und 109-1 ist größer als der Abstand von
0,726 mm der Rippen, so daß keine Flügel 105 gemäß Fig. 12 und 13 gebildet werden,
sondern die Oberfläche der Fig. 17 entsteht.
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Der Grund 107' zwischen den Rippen-Zähnen gemäß Fig. 15, der sich
durch die erste Druckverformungsstufe ergeben hat, wird um etwa 0,2 mm bei der zweiten
Druckverformungsstufe eingedrückt.
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Ferner wird eine Kreuzriffelung mit Hilfe einer Scheibe 110 von 51,8
mm Durchmesser, einem Riffelabstand von 0,5 mm und einer Breite von 0,85 mm durchgeführt.
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Das fertiggestellte Wärmeübertragungs-Rohr weist einen Außendurchmesser
von 18,38 mm und eine Oberfläche gemäß Fig. 16 auf und umfaßt zwei Gänge spiralförmiger
Nuten 102 mit Spalten von 0,06 mm, Nuten 101 mit Spalten 104 in Axialrichtung, die
die Nuten 102 verbinden und einen Abstand von 0,75 mm aufweisen, und eine geriffelte
Oberfläche 106 auf dem gesamten Rohr.
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Beispiel 6 Rippen 107' in zwei Gangen werden mit einer Anordnung von
14 Rippen pro cm auf der Oberfläche eines Kupferrohres mit 18,88 mm Außendurchmesser
und einer Wandstärke von 1,35 mm nach dem Verfahren der Fig. 14 hergestellt. Anschließend
erfolgt die erste Druckverformung mit Hilfe einer zahnradförmigen Scheibe 108 mit
einem Außendurchmesser von 51,6 mm und 216 Zähnen auf dem Umfang. Sodann wird der
zweite Druckverformungsvorgang durchgeführt, und zwar in zwei Stufen mit Hilfe einer
Scheibe 109
mit einem Außendurchmesser von 51,3 mm und einer Dicke
von 0,62 mm und einer Scheibe 109-1 mit einem Außendurchmesser von 51,75 mm und
einer Dicke von 0,62 mm. Der Grund 107" gemäß Fig. 15 zwischen den Zähnen, die in
der ersten Stufe der Druckverformung hergestellt worden sind, wird um etwa 0,2 mm
im zweiten Druckverformungsschritt zusammengedrückt.
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Schließlich erfolgt eine Kreuzriffelung mit einer Scheibe mit 51,8
mm Außendurchmesser und einer Breite von 0,6 mm.
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Damit ergibt sich ein Wärmeübertragungs-Rohr mit einem Außendurchmesser
von 18,88 mm und einer Oberfläche gemäß Fig. 12.
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Diese Oberfläche weist zwei Gänge von schraubenförmig durchlaufenden
Nuten 101 mit Spalten 102 mit einer mittleren Breiten von 0,04 mm, Nuten 103 mit
Spalten 104 mit einer mittleren Breite von 0,07 mm, die die Nuten 101 in Axialrichtung
des Rohres verbinden und im Umfang einen Abstand von 0,75 mm aufweisen, Flügel 105
mit einer Dicke von etwa 0,1 mm und einer Höhe von etwa 0,25 mm, die sich in Umfangsrichtung
zwischen den nebeneinanderliegenden Nuten 101 und 103 erstrecken, und eine geriffelte
Oberfläche 06 auf dem gesamten Rohr, ausgenommen die Flügel 105.
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Fig. 18 zeigt in einer grafischen Darstellung den Siede-Wärmeübertragungskoeffizienten
pro Längeneinheit des Rohres bei den Beispielen 5 und 6 bei Verwendung von Freon
R-11 als siedende Flüssigkeit. Die Wärmeübertragungskoeffizienten'der Rohre der
Beispiele 5 und 6 sind mit C und D bezeichnet. Die Kurve E zeigt den Wärmeübertragungskoeffizienten
eines herkömmlichen Flügelrohres mit etwa demselben Durchmesser (13,8 mm) und 10
Flügeln pro cm zu Vergleichszwecken.
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Diese Kurven ergaben sich durch Messungen mit einem einzigen Rohr.
Der Siededruck betrug 1,5 kg/cm2 abs.
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Die wesentlichen Vorteile der Erfindung lassen sich wie folgt darstellen.
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1) Es sind bereits verschiedene Oberflächen-Typen für Wärmeübertragungs-Rohre
zur Verbesserung des Siedevorganges vorgeschlagen worden. Bei den meisten herkömmlichen
Oberflächen erstrecken sich Hohlräume, Aussparungen oder Nuten nur in einer Richtung,
beispielsweise in Umfangsrichtung des Rohres. Zu einer weiteren Verbesserung ist
es daher notwendig, die Aussparungen in feiner Verteilung vorzusehen. Dies ist außerordentlich
schwierig und kostspielig. Gemäß der Erfindung erfolgt die Förderung des Siedevorganges
nicht nur durch Nuten in Umfangsrichtung, sondern auch in Axialrichtung des Rohres,
ohne daß die Herstellung besonders schwierig ist.
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2) Die Oberfläche des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungs-Rohres mit
ringförmigen oder spiralförmigen Nuten, die eine sich ändernde Querschnittsform
in Längsrichtung der Nuten aufweisen, trägt erheblich zur Förderung des Siedevorganges
bei.
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3) Betriebsstörungen, die eintreten können, wenn das Rohr in einer
blasenreichen Flüssigkeit verwendet wird, werden wirksam verhindert durch dünnwandige,
aufragende Flügel über der Gesamtfläche des Rohres.
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4) Der Außendurchmesser des Wärmeübertragungs-Rohres der Erfindung
ist nicht größer als der des Ausgangsrohres. Außerdem können glatte Bereiche vorgesehen
werden, wie es bei Rohren mit niedrigen Flügeln der Fall ist. Im übrigen kann das
erfindungsgemäße Rohr in einem Verfahrensschritt hergestellt werden.
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Es kann daher ebenso einfach wie ein übliches glattflächiges Rohr
oder Rohr mit niedrigen Flügeln behandelt und mit verhältnismäßig geringen Produktionskosten
hergestellt werden.
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L e e r s e i t e