DE3332282C2

DE3332282C2 - Wärmetauschrohr

Info

Publication number: DE3332282C2
Application number: DE3332282A
Authority: DE
Inventors: Akio Isozaki; Yoshiyuki Kanagawa Sato
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1982-09-08
Filing date: 1983-09-07
Publication date: 1986-08-14
Also published as: US4549606A; DE3332282A1

Abstract

Es wird ein Wärmeübertragungsrohr beschrieben, das einen zylindrischen Wärmeübertragungsrohrkörper und eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden oder spiralförmigen Rippen umfaßt, die einstückig auf der Außenfläche des Rohrkörpers ausgebildet sind. Der obere Abschnitt einer jeden Rippe weist eine oder mehrere Umfangsnuten auf, die die Rippe in Umfangsrichtung in mindestens zwei Teile unterteilen, und eine Vielzahl von axial verlaufenden Unterbrechungen, die die Rippe in Axialrichtung in eine Anzahl von Teilen unterteilen. Die Rippen können des weiteren mit Unterbrechungen versehen sein, die mit einem vorgegebenen Abstand in einer die Rippen kreuzenden Richtung ausgebildet sind, so daß die Rippen in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt werden. Ferner ist in einstückiger Weise auf der Innenfläche des Rohrkörpers entlang imaginärer Linien, deren Steigungswinkel zu dem Steigungswinkel der Rippen entgegengesetzt ist, eine Vielzahl von einzelnen Sicken ausgebildet, die an mindestens einigen Schnittpunkten zwischen den imaginären Linien und den Rippen vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetauschrohr gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solches Wärmetauschrohr ist aus der US-PS 43 30 036 bekannt.

Ein in Kühlschränken, Kühlern und dergleichen verwendeter Källemittelkondensator weist eine Vielzahl von Wärmeiauschrohren auf, die in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet sind; ein Medium, d. h. ein als Kältemittel dienendes Gas. strömt an der Außenfläche der Rohre entlang und wird durch ein Kühlmedium, beispielsweise Wasser, das durch das Rohr fließt, kondensiert. Um das Wärmeübertragungsvermögen von derartigen Wärmetauschrohren zu verbessern, ist bereits eine Reihe von Versuchen unternommen worden:

(1) Zur Erhöhung der wirksamen Wärmeaustauschfläche pro Längeneinheit des Wärmetauschrohres wurden spiralförmige Rippen auf der Außenfläche des Rohres mit Hilfe eines Walzenwerkzeuges erzeugt. Auf diese Weise wurde ein Wärmetauschrohr 100 mit niedrigen Rippen 111 hergestellt, das beispielsweise in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist. Das Kältemittelkondensat, das sich während des Wärmeaustausches bildet, verbleibt dabei auf der Oberfläche der Rippen 111, die einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, so daß sich ein Flüssigkeitsfilm /'bildet, der das Wärmeübertragungsvermögen beträchtlich herabsetzt. Andererseits kann man die Zahl der Rippenreihen in Axialrichtung des Rohres erhöhen, um dessen Außenfläche beträchtlich zu vergrößern. Die engen Nuten zwischen den einzelnen Rippen werden jedoch während des Wärmeaustausches mit dem Kondensat gefüllt, so daß keine Verbesserung des Wärmeübertragungsvermögens erwartet werden kann. Es ist auch möglich, größere Rippen vorzusehen, die jedoch größere Gehäuse erforderlich machen, in denen die Rippen angeordnet werden können. Dies führt zu großen und schweren Kondensatoren. In den Fällen, in denen die Kondensatoren als Gehäuse-Rohr-System montiert werden, ist ihre Montage arbeitsaufwendig und schwierig.

(2) Um die Ausbildung eines Flüssigkeitsfilmes auf der Oberfläche der Rippen zu verhindern, hat man auch bereits die Rippen aufgeschnitten, um ihre Spitzen zu

ίο verdünnen, wie in Fi g. 3 gezeigt. Wenn derartig dünne Rippenspitzen vorhanden sind, kann eine bestimmte Kondensatmenge unmittelbar in die Nuten 120 zwischen den Rippen 111 einfließen, so daß die Ausbildung des Flüssigkeitsfilmes /reduziert und dadurch das Wärmeübertragungsvermögen verbessert wird. Da jedoch im Endeffekt die Ausbildung des Flüssigkeitsfilmes unvermeidbar ist, ist das resultierende Wärmeübertragungsvermögen noch geringer.

(3) Man hat ferner versucht, die Ausbildung des FIüssigkeitsfilmes durch Behandlung der Wärmeaustauschfläche des Rohres mit Hilfe eines Überzuges zu verhindern. Dieser Versuch war von der Theorie her vorteilhaft, ist jedoch für die Praxis ungeeignet, da sich zum jetzigen Zeitpunkt ein derartiges Oberflächenbehandlungsverfahren als unvollkommen erweist.

(4) Es wurde auch bereits versucht, das Wärmeübertragungsvermögen an der Innenseite des Rohres zu verbessern. Dies ist nicht besonders wirksam, wenn der Wärmeübertragungskoeffizient an der Gehäuseseite gegenüber dem Wärmeübertragungskoeffizienten an der Rohrseite dominiert, da dadurch das Kältemittclkondensat an der Außenfläche des Rohres nicht beseitigt werden kann.
Sämtliche der vorstehend aufgeführten Versuche vcrsagten jedoch in bezug auf die Herstellung eines Wärmetauschrohres mit geringer Größe und geringem Gewicht, das ein hohes Wärmeübertraf ungsvcrmögen besitzt.

Die US-PS 43 30 036 zeigt ein Wärmetauschrohr, bei dem auf dar Außenfläche des zylindrischen Rohrkörpers einstückig mit diesem ausgebildete, in Umfangsabstand durch Ausnehmungen unterbrochene, umlaufende Rippen sitzen. Auch bei solchen Wärmetauschrohrcn besteht die Gefahr, daß die Wärmeaustauschflächc auf der Außenseile durch sich anlagerndes, kondensiertes Kühlmittel überdeckt und in ihrem Wärmeaustauschvermögen herabgesetzt wird, insbesondere bei hohen Anforderungen an die Wärmetauschleisiung, d. h. bei hohem Durchsatz des Kühl- bzw. Heizmediums oder bei einem sehr starken Temperaturunterschied zwischen dem Medium innerhalb und dem außerhalb des Wärmetauschrohrs.

Die DE-OS 28 03 274 betrifft ein Wärmetauschrohr, bei dem eine Verbesserung der Wärmclauscheigenschäften erreicht werden soll, indem die Wärmeaustauschfläche durch eine Zweiteilung einer geschlossenen, umlaufende Rippe durch eine Nut vergrößert wird. Die positive Wirkung der vergrößerten Oberfläche wird dadurch neutralisiert, daß infolge der Rinnenform der Rippenkrone das angelagerte, kondensierte Kühlmittel nicht abfließen kann, was dazu führt, daß diese Rinne nach vergleichsweise kurzer Zeit mit kondensiertem Kühlmittel gefüllt ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Wärmeaustauschrohr derart weiterzubilden, daß auf den Außenabschnitten ständig eine von kondensiertem Kühlmittel freie Wärmeaustauschflächc zur Verfügung steht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst

Durch diese Maßnahmen wird nicht nur die Wärmeaustauschfläche vergrößert, wodurch an sich schon die Wärmelauscheigenschaften verbessert werden, sondern durch die Abmessungen der axial verlaufenden Ausnehmungen, insbesondere deren Tiefe, wira zudem eine Abflußmöglichkeit für das kondensierte Kühlmedium aus den Außenabschnitten des Wärmetauschrohr zum zylindrischen Rohrkörper geschaffen. Dies hat zur Folge, daß auf dem Außenabschnitt des Wärmetauschrohrs in weit höherem Maße als beim bekannten Stand der Technik von kondensiertem Kühlmittel freie Wärmeaustauschflächen zur Verfugung gestellt werden können.

Eine Weiterbildung der Erfindung geht aus dem Unteranspruch 2 hervor.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Ze^;chnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines herkömmlich ausgebildeten Wärmetauschrohres mit spiralförmigen Rippen, wobei Teile weggebrochen sind, die

F i g. 2 und 3 vergrößerte seitliche Teilschnittansichlcn des Rohres der Fig. 1 zur Darstellung des an den Rippen verbleibenden Kältemittelkondensates, die

I"ig.4 und 5 eine seitliche Schnittansicht, teilweise weggebrochen, und eine vergrößerte perspektivische Teilansichl eines Wärmetauschrohres zum Vergleich mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Rohr,

I- i g. 6 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschrohres die,

F i g. 7 und 8 Ansichten zur Darstellung eines Herstellu ngspro/.csses für das in F i g. 6 gezeigte Rohr,

F i g. 9 eine perspektivische Ansicht eines Rohres, das zur Herstellung des erfindungsgemäß ausgebildeten Würmeiauschrohres Verwendung findet, die

Fig. 10 und 11 eine Teilschnittansicht und eine perspektivische Teilansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmetauschrohres,

Fig. 12 eine Darstellung zur Erläuterung der Herstellung des in F i g. 10 gezeigten Rohres, und

Fig. 13 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmelauschrohres.

In Fig. 6 iM ein Wärmetauschrohr 1 dargestellt, das einen zylindrischen Rohrkörper 10 und eine Vielzahl von spiralförmigen Rippen 11 umfaßt, die einstückig auf der Außenfläche des Rohrkörpers 10 ausgebildet sind. Der Über- bzw. radiale Außenabschnitt einer jeden Rippe Il ist mit einer oder mehreren Umfangsnuten 13 verschen, die ihn in drei Teilrippen lla, 11£> und lic unterteilen. Ferner weist der radiale Außenabschnitt einer jeden Rippe 11 eine Vielzahl von axial verlaufenden Ausnehmungen 14 auf, die ihn in eine Reihe vor Unterabschnitten aufteilen. Die Tiefe fo der Ausnehmungen 14 ist vorzugsweise größer als die Tiefe h\ der Umfangsnuten 13.

Da die Rippen 11 auf der Außenfläche des Rohrkörpers 10 die Oberfläche vergrößern und die Ausnehmungen 14, die die Rippen 11 in eine Reihe von Unterabschnitten unterteilen, die Oberfläche weiter erhöhen, ist der Kontakt zwischen dem Kältemittel und dem Rohrkörper 10 sehr intensiv. Da ferner die radialen Außenabschnitte der Rippen 11 durch die Ausnehmungen 14 in einzelne Unterabschnitte unterteilt sind, und die Umfangsnuten 13 kontinuierlich durch die zugehörigen Ausnehmungen 14 verlaufen, verbleibt das Kältmittelkondensat nicht in den Umfangsnuten 13, sondern strömt aus den Umfangsnuten 13 zwischen den Teilrippen lla, Wb und lic der Rippe 11 durch die Ausnehmungen 14 in die Nuten 12 zwischen den Rippen 11, wodurch die Ausbildung eines Flüssigkciisfilmes auf den radialen Außenabschnitten der Rippen 11 unterdrückt wird. Aufgrund der vorstehend erwähnten Beziehung zwischen den Ausnehmungen 14 und den Rippen 11 kann darüber hinaus das Kondensat in den Umfangsnuten 13 sofort entfernt werden, wodurch die Ausbildung des Flüssigkeitsfilmes auf den radialen Außenabschnitten der Rippen 11 noch signifikanter unterdrückt wird. Die radialen Außenabschnitte der Rippen 11 sind daher zusätzlich zu der relativ großen Oberfläche immer frischem Kältemittel ausgesetzt, so daß das Wärmeiibertragungsvermögen stark verbessert wird. Ein Flüssigkeitsiilm bildet sich fast nie um die Ränder der Ausnehmungen 14 herum, so daß in diesen Bereichen ein wirksamer Wärmetausch stattfinden kann. Die Wärmetauschleistung vom Kältemittel zur Rohrvvandung steigt daher beträchtlich an.

In den Fig.4 und 5 ist ein Wärmetauschrohr 111 dargestellt, das nicht mit den axial verlaufenden Ausnehmungen versehen ist, wie sie das vorstehend beschriebene Wärmetauschrohr 1 aufweist. Hierbei verbleibt somit das Kältemittelkondensat in den Umfangsnuten 130 zwischen den äußeren Teilrippen lila. 1110 und 111c der Rippen 111. so daß ein Flüssigkeitsfilm gebildet wird, der das Wärmeübertragungsvermögen btträchtlich herabsetzt.

In Fig. 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Wärmetauschrohres 1 dargestellt, bei dem eine Vielzahl von spiralförmigen Rippen 11 mit Unterbrechungen 16 versehen ist, die einen vorgegebenen Abstand (P in Fig. 13) aufweisen, so daß die Rippen 11 in eine Vielzahl von Teilabschnitten unterteilt sind. Auf der Innenfläche des Rohrkörpers 10 ist eine Vielzahl von einzelnen Sikken 2 entlang imaginärer Linien L ausgebildet, die einen Steigungswinkel besitzen, der dem Steigungswinkel der Rippen 11 entgegengesetzt ist. Die Sicken 2 sind an mindestens einigen Schnittpunkten zwischen den imaginären Linien L und den Rippen 11 vorgesehen. Sie können auf der Innenfläche des Rohrkörpers 10 unregelmäßig geformt sein. Ferner sind auf der Rückseite des Rohrkörpers 10 Wellen 15 ausgebildet. Die Sicken 2 allein oder in Kombination mit den Wellen 15 bewirken eine Störung der Kühlmediumströmung im Wärmetauschrohr 1, so daß das Kühlmedium turbulent strömt und intensiv mit der Innenwand des Wärmetauschrohres 1 in Kontakt gebracht und die Wärmetauschleistung zwischen Rohrwand und Kühlmedium beträchtlich erhöht wird. Die Sicken 2 und die Wellen \i> bewirken somit ein verbessertes Wärmeübertragungsvermögen. Wie man aus Fig. 11 entnehmen kann, besitzen die Rippen 11 auf der Außenfläche des Rohrkörpers 10 eine oder mehrere Umfangsnuten 13 und eine Vielzahl von axial verlaufenden Ausnehmungen 14 auf ihren radialen Außenabschnitten, die wie bei dem Wärmetauschrohr 1 der F i g. 6 ausgebildet sind, wobei zwischen der Tiefe /?2 der Ausnehmungen 14 und der Tiefe h\ der Umfangsnuten 13 vorzugsweise ebenfalls die Beziehung hi > h\ existiert. Es werden daher die gleichen Vorteile erreicht.

Das beschriebene Wärmetauschrohr 1 wird in der nachfolgenden Weise hergestellt:

Ein Herstellverfahren für das Wärmetauschrohr 1 ist in den Fig.7, 8 und 12 dargestellt. Ein zylindrisches Rohr Γ mit einer glatten Oberfläche, das aus metallischen Materialien, wie beispielsweise Cu, Al, Legierun-

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gen dieser Metalle o. ä., besteht, und von einem Dorn 4 fen. In einigen Fällen kann das Rotationswerkzeug 6 in gehalten wird, wird in der Richtung des Pfeiles A be- Umfangsrichtung des Rohres abgewälzt werden, um die wegt, während Walzwerkzeuge 3 in Richtung des Pfei- Ausnehmungen und Sicken entlang imaginärer Linien les S (jedes Werkzeug wälzt sich in Richtung des Pfeiles auszubilden, die in Umfangsrichtung verlaufen. Cab) bewegt werden, um die spiralförmigen Rippen 11 5 Die Wellen 15 an der Innenfläche des Wärmetauxchauszubilden. Jedes Walzwerkzeug 3 umfaßt Vorwalz- rohres werden nicht nur durch die Sicken 2 und die scheiben 3a, ein Schneidwerkzeug 3b zum Einschneiden Ausbauchungen in den Umfangsbereichcn, sondern der axialen Unterbrechungen, eine Scheibe 3c zum Ju- auch durch den Umfangsdruck des Rolationswerkzcustieren der Außenfläche, ein Schneidwerkzeug 3d zum ges 6 gebildet, der das Material in Umfangsrichtung Einschneiden der Umfangsnuten eine Glättscheibe 3e, 10 zusammenpreßt. Dies führt zu Wellungen mit einer bedie alle um die Achse 5 drehbar sind. Der Durchmesser stimmten Wellenlänge in Richtung der Rohrachse, so der aufeinanderfolgenden Vorwalzscheiben 3a ist im daß die Wellen 15 gebildet werden. Die Größe der WcI-vorderen Abschnitt größer, so daß allmählich Nuten in len 15 kann in der gewünschten Weise eingestellt wcrdie Oberfläche des Rohres Γ eingedrückt und damit die den, indem der Druck am Rotationswerkzeug geregell spiralförmigen Nuten 12 ausgebildet werden. Zur glei- 15 wird. Wenn man daher diesen Druck unier Beachtung chen Zeit werden die Ausbauchungen des überschüssi- des Druckveriustes an der innenfläche steuert, können gen Rohrwandmaterials eingedrückt, um die diese Nu- die Turbulenzen erhöht werden. Bei dem beschriebenen ten 12 umgebenden spiralförmigen Rippen 11 auszubil- Wärmetauschrohr gilt für den Abstand W\ zwischen den. den Rippen 11 und der Breite W2 der Ausnehmungen

Danach ist das Schneidwerkzeug 3b in Betrieb und 20 vorzugsweise die Beziehung W\ > W2. Da die Ausnehbildet eine Vielzahl von axial verlaufenden Ausnehmun- mungen 16 durch Eindrücken der Rippen 11 und nicht gen 14 im radialen Außenabschnitt der spiralförmigen durch Einschneiden oder Abscheren der Rippen 11 hcr-Rippen Ii aus. Die nächste Scheibe 3c stellt die Form gestellt werden, würde in dem Fall IVi < W2 der wirksader Rippen 11 ein, und das Schneidwerkzeug 3d schnei- me Bereich der Außenfläche reduziert werden, so daß det in die Umfangsnuten 13 ein und bildet die Teilrippen 25 die angestrebten Ziele nicht erreicht werden könnten.

lla. 116 und lic oder llaund 11 Z> am radialen Außen-

abschnitt der Rippen 11 aus. Danach wird über die Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Glatt- bzw. Endbearbeitungsscheibe 3e die Form des

radialen Außenabschnittes der Rippen 11 eingestellt, so daß das gewünschte Wärmetauschrohr 1 erhalten wird, das spiralförmige Rippen 11 mit den Teilrippen lla. 11£> und 11c aufweist, wie in Fig.6 gezeigt. Ein weiteres Rohr Γ, das gleichfalls Verwendung finden kann, ist in F i g. 9 gezeigt. Dieses Rohr besitzt eine Reihe von axial verlaufenden Vorsprüngen 7 auf seiner Außenfläche, die als Ausnehmungen 14 im Endprodukt wirken. Wenn man daher das in F i g. 9 dargestellte Rohr 1' verwendet, kann man das in F i g. 8 gezeigte Schneidwerkzeug 3b weglassen.

Das in Fig. 10 dargestellte Wärmetauschrohr 1 wird hergestellt, indem des weiteren ein Rotationswerkzeug 6 mit scharfen Kanten gegen die Außenfläche des in Fig. 6 dargestellten Wärmetauschrohres gepreßt wird, wobei das Rotationswerkzeug 6 bei Rotation des Rohren 1 in einer Richtung abgewälzt wird, die die der Rippen 11 kreuzt. Auf diese Weise werden die Rippen 11 zur Ausbildung der Ausnehmungen 16 in einem yorgegebenen Abstand eingeschnitten und eingedrückt Das überschüssige Rohrwandmaterial wird an den Ausnehmungen 16 gequetscht, wobei durch die Ausbauchungen die Sicken 2 auf der Innenfläche des Wärmetauschrohres 1 gebildet werden, während das Rohr in Axialrichtung gequetscht wird, um die kontinuierlichen Wellen 15 auf der Innenfläche des Rohres auszubilden. Gemäß diesem Verfahren ist es möglich, die Sicken 2 und die WeI-len 15 gleichzeitig mit den Ausnehmungen 16 auszubilden, wobei die Sicken 2 auf der Innenfläche unmittelbar gegenüberliegend zu den Ausnehmungen 16 geformt werden, so daß der Abstand der Ausnehmungen 16 notwendigerweise mit dem Abstand der Sicken 2 übereinstimmen. Es ist daher durch Einstellung der Walzrichtung des die Ausnehmungen 16 formenden Rotalionswerkzeuges 6 möglich, daß die die Sicken 2 miteinander verbindenden imaginären Linien L Spiralform annehmen. Wenn das Rotationswerkzeug 6 in Axialrichtung

■ des Rohres abgewälzt wird, ist es möglich, die Ausneh-

jj mungen 16 und die Sicken 2 entlang imaginärer Linien

herzustellen, die parallel zur Achse des Rohres verlau-

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauschrohr aus einem zylindrischen Rohrkörper mit einer Vielzahl in Umfangsrichtung oder spiralförmig verlaufender, einstückig auf der Außenfläche des Rohrkörpers ausgebildeter Rippen, die durch Ausnehmungen unterbrochen sind, die in vorgegebenem Abstand in einer die Rippen kreuzenden Richtung angeordnet sind und die Rippen in eine Vielzahl von Teilabschnitten unterteilen, und mit einer Vielzahl einzelner einstückig auf der Innenfläche des Rohrkörpers längs imaginärer Linien ausgebildeter Sicken, wobei der Steigungswinkel dieser Linien dem Steigungswinkel der Rippen entgegengesetzt ist und die Sicken zumindest auf einigen Schnittpunkten zwischen den Linien und den Rippen sitzen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilabschnitt jeder Rippe (11) in seinem radialen Außenabschnitt mittels zumindest einer Umfangsnut (13) in in Axialabstand zueinanderstehende Teilrippen (11a, Hb, Hc) unterteilt ist, und daß jeder Teilabschnitt jeder Rippe (11) durch eine Vielzahl axial verlaufender Ausnehmungen (14) in Unterabschnitte aufgeteilt ist, wobei die Tiefe (hi) der Ausnehmungen (14) größer als die Tiefe (h\) der Umfangsnuten (13) ist.

2. Wärmetauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Rippen (11) größer ist als die Breite der Ausnehmungen (16).