DE3815095A1

DE3815095A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE3815095A1
Application number: DE19883815095
Authority: DE
Inventors: Carl Bergt
Original assignee: American Standard Inc
Current assignee: Trane US Inc
Priority date: 1987-11-30
Filing date: 1988-05-04
Publication date: 1989-06-08
Also published as: FR2623893A1; GB2212899B; DE3815095C2; GB8808863D0; JPH01150797A; GB2212899A; FR2623893B1; CA1302395C

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff von An spruch 1.

Kühlsysteme, wie sie beispielsweise in Systemen zur Luftkonditionierung und in Wärmepumpen eingesetzt werden, weisen üblicherweise einen Verdichter, ei nen als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher, eine Ausdehnvorrichtung und einen als Verflüssiger arbeitenden Wärmetauscher auf. Diese Funktionsein heiten sind in Reihe geschaltet und leiten so ein Strömungsmedium bzw. ein Kühlmittel in einem geschlossenen Kreislauf. Jeder der Wärmetauscher weist mindestens eine Wärmetauscherröhre zur Wärmeübertragung an das oder aus dem Kühlmittel auf. Die Wärmeübertragungsrate ist durch den Einsatz von Rippen in der Wärmetauscherröhre erhöht.

Bei der Gestaltung von Wärmetauscherröhren mit darin ausgebildeten Rippen müssen zahlreiche voneinander abhängige Faktoren berücksichtigt werden, bei spielsweise die Höhe der Rippen, der Abstand zwischen den Rippen, der Schrä gungswinkel zwischen den Rippen und der Längsachse der Wärmetauscherröhre, der Wärmestrom, der Massendurchsatz und verschiedene Eigenschaften des durch die Wärmetauscherrohre geleiteten Strömungsmediums. Durch Änderung jedes die ser Faktoren entstehen unendlich viele Kombinationsmöglichkeiten der Faktoren. Eine ausreichende Untersuchung all dieser Kombinationsmöglichkeiten ist schwie rig und zu kostenintensiv. Auf der Basis verschiedener Laborversuche sind einige sich scheinbar widersprechende Lösungen zu der voranstehenden Proble matik gefunden worden.

Es sind Wärmetauscher mit Wärmetauscherröhren bekannt, bei denen innerhalb der Wärmetauscherröhre Rippen mit einer Höhe von 0,02 mm bis 0,2 mm (0,0008 bis 0,008 in) vorgesehen sind (US-PS 40 44 797). Der Schrägungswinkel der Rippen liegt dort im Bereich von 4 Grad bis 15 Grad. Desweiteren sind Wärmetauscher bekannt, bei denen der effektivste Schrägungswinkel der Rippen über 20 Grad liegt (US-PS 41 18 944). Schließlich ist ein Wärmetauscher bekannt, bei dem die Höhe der Rippen im Bereich von 0,1 mm bis 0,6 mm (0,0039 bis 0,0236 in) und der Schrägungswinkel der Rippen im Bereich von 16 Grad bis 35 Grad liegen (US-PS 45 45 428). An dieser Stelle sei jedoch erwähnt, daß in keiner der drei genannten Druckschriften ein Schrägungswinkel unter 4 Grad empfoh len wird.

Unter Berücksichtigung lediglich der zuvor genannten Druckschriften ist es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, eine optimale Höhe der Rippen und ei nen optimalen Schrägungswinkel zu bestimmen. Zur Bestimmung der besten Aus gestaltung der Rippen sind daher Laborversuche durchgeführt worden. Diese La borversuche führten schließlich zur vorliegenden Erfindung. Die überraschen den Ergebnisse der Laborversuche haben gezeigt, daß geradlinig verlaufende Rippen, d. h. Rippen mit einem Schrägungswinkel von 0 Grad, eine überraschend wirkungsvolle innere Oberfläche zur Wärmeübertragung liefern. Die Ergebnis se sind derart überraschend gewesen, daß zur Überprüfung der zuvor erwähn ten Versuche zusätzlich umfassendere Laborversuche durchgeführt worden sind. Diese umfassenden Laborversuche haben die überraschenden Ergebnisse bestätigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bezüglich der Wärmetauscher röhre bzw. der darin ausgebildeten Rippen konstruktiv einfachen und preiswer ten Wärmetauscher zu schaffen. Dabei soll im Vergleich zu Wärmetauschern mit mit schraubenlinienförmig verlaufenden Rippen versehenen Wärmetauscherröhren eine größere Wärmeübergangszahl erreicht werden. Insbesondere soll eine für den Wärmeübergang optimale Höhe der Rippen angegeben werden. Äußerst dünne, gegen mechanische Einflüsse empfindliche Rippen sowie sehr große Zwischenräu me zwischen den Rippen sollen vermieden werden. Der Wärmetauscher soll insbe sondere bei sich änderndem Verhältnis von Gasanteil zu Flüssigkeitsanteil des Kühlmittels innerhalb der Wärmetauscherröhre effektiv arbeiten. Der Massen durchsatz des Kühlmittels soll dabei durch die Ausgestaltung der Rippen be günstigt werden.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher löst die zuvor aufgezeigte Aufgabe durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils von Anspruch 1. Dabei ist wesentlich, daß der Schrägungswinkel und die Höhe der Rippen derart aufeinander abge stimmt sind, daß die Wärmeübertragung optimal ist.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläute rung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung zu ver weisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispie le der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einem Schnitt, schematisch, eine Wärmetauscherröhre eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit geradlinig verlaufenden Rippen,

Fig. 2 in einem Schnitt, schematisch, eine Wärmetauscherröhre ei nes weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärme tauschers mit unter einem Schrägungswinkel verlaufenden Rippen,

Fig. 3 in einem Koordinatensystem die Änderung eines Wärmeübergangs faktors als Funktion der Höhe und des Schrägungswinkels der Rippen,

Fig. 4 in einem Koordinatensystem die Änderung des Wärmeübergangsfak tors als Funktion des Schrägungswinkels der Rippen bei konstan ter Höhe der Rippen,

Fig. 5 in einem Koordinatensystem die Änderung des Wärmeübergangsfak tors als Funktion der Höhe der Rippen bei konstantem Schrägungs winkel und

Fig. 6 in einem Koordinatensystem die Änderung des Wärmeübergangsfak tors als Funktion des Massendurchsatzes bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Fig. 1 zeigt eine Wärmetauscherröhre 10 eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers. Die Wärmetauscherröhre 10 weist in ihrem Inneren im wesentlichen geradlinig in Längsrichtung verlaufende Rippen 12 auf. Die Rippen 12 bilden mit der Längsachse 14 der Wärmetauscherröhre 10 einen Schrägungswinkel R von 0 Grad und weisen eine Höhe h von 0,0155 in ( 0,39 mm) auf. Die Rippen 12 sind in Umfangsrichtung an der Innenfläche 11 der Wärmetauscherröhre 10 mit einem Abstand 16 von 0,017 in ( 0,43 mm) zueinander angeordnet. Der Ab stand 16 ist als Abstand zwischen den Mittellinien zweier aneinander angren zender Rippen 12 definiert.

Unter vergleichbaren Versuchsbedingungen erweist sich die Wärmetauscherröhre 10 gegenüber zahlreichen anderen Wärmetauscherröhren mit darin angeordneten Rip pen verschiedener Höhen und Schrägungswinkel, beispielsweise einer in Fig. 2 gezeigten Wärmetauscherröhre 18, als überlegen. Alle getesteten und mit der Wärmetauscherröhre 10 verglichenen Wärmetauscherröhren lassen sich generell in Kühlsystemen einsetzen. Dies bedeutet, daß die in Rede stehenden Wärme tauscherröhren einen maximalen Außendurchmesser von etwa 1 in ( 25,4 mm) aufweisen. Die Innenflächen der Wärmetauscherröhren weisen bei einem Abstand zwischen den Rippen im Bereich von 0,01 in ( 0,254 mm) bis 0,04 in ( 1,016 mm) eine hohe Konzentration der relativ kleinen Rippen - die Höhe der Rippen liegt unter 0,035 in ( 0,889 mm) - auf. Die Konzentration und die Höhe der Rippen erhöhen den Wärmeübergang und minimieren dabei den Strömungswiderstand bzw. den Druckabfall in der Wärmetauscherröhre. Bei der Leitung von Kühlmittel ist die Minimierung des Druckabfalles von besonderer Bedeutung, da die Tempera tur und die Beschaffenheit (Verhältnis von Gasanteil zu Flüssigkeitsanteil) des Kühlmittels sich erheblich mit dem Druck ändert. Der Druck seinerseits hat Einfluß auf den Wärmeübergang in der Wärmetauscherröhre. Die Rippen wei sen innerhalb der Wärmetauscherröhre in Umfangsrichtung einen geringen Ab stand zueinander auf. Dieser Abstand liegt im Bereich von 0,013 in ( 0,33 mm) bis 0,33 in ( 0,84 mm) und dient bei Vermeidung äußerst dünner, zerbrech licher Rippen der Maximierung der Oberfläche der Rippen.

Jede der getesteten Wärmetauscherröhren hatte einen Außendurchmesser von 0,375 in ( 9,525 mm). Während des Versuchs wurde durch das Innere der Wär metauscherröhre ein Kühlmittel geleitet. Bei dem in den Versuchen verwende ten Kühlmittel handelt es sich um einen unter dem Warenzeichen "FREON" be kannten Fluorkohlenwasserstoff. Insbesondere handelt es sich dabei um ein unter dem Warenzeichen "FREON R-22" bekanntes Difluormonochlormethan. Die Temperatur der Außenfläche der Wärmetauscherröhre wurde so geregelt, daß sich ein konstanter Wärmestrom von 5000 Btu/h · ft² ( 5,7 kJ/cm² · h) ergab. Zur Prüfung jeder Wärmetauscherröhre beim Durchströmen von Kühlmitteln unter schiedlicher Zustände, d. h. unterschiedlicher Gas-/Flüssigkeits-Anteile, wurden die Einlaß- und Auslaßtemperaturen des Kühlmittels kontrolliert geän dert. Der Zustand des Kühlmittels wurde in fünf Stufen von 0,15 bis 0,85, d. h. von 15% Gasanteil bis 85% Gasanteil verändert. Den in den Fig. 3 bis 6 dargestellten Ergebnissen liegt ein Zustand des Kühlmittels von 0,6 zugrunde, die Wärmetauscherröhre arbeitete also als Verdampfer. Den Fig. 3, 4 und 5 liegt ein Massendurchsatz des Kühlmittels von 200 lbs/h ( 90,72 kg/h) zu grunde.

Die Versuche lieferten Wärmeübergangszahlen (Btu/h · ft² · °F bzw. kJ/h · cm² · °C) der verschiedenen Wärmetauscherröhren mit darin angeordneten Rippen. Die Wärme übergangszahlen wurden mit Wärmeübergangszahlen von Wärmetauscherröhren mit glatten Innenflächen, also ohne im Inneren angeordnete Rippen, verglichen. Aus diesem Vergleich ergab sich ein dimensionsloser Verstärkungsfaktor, der im folgenden als Wärmeübergangsfaktor oder einfach als Faktor bezeichnet ist. Dieser Faktor wurde durch Teilen der Wärmeübergangszahlen einer "gerippten" Wärmetauscherröhre durch die Wärmeübergangszahl einer vergleichbaren "unge rippten" Wärmetauscherröhre ermittelt.

In Fig. 3 sind die Ergebnisse der Untersuchungen zusammengefaßt. Dabei sind acht verschiedene, im Innern gerippte Wärmetauscherröhren durch die Punkte "A bis H" dargestellt. Die Punkte "A bis H" repräsentieren jeweils eine bestimm te Höhe h und einen bestimmten Schrägungswinkel R der Rippen 12. Es ist zu be achten, daß die Höhe h der Rippen in "in" abgetragen ist. Wie man beispiels weise dem Punkt B entnehmen kann, sind die Punkte "A bis H" mit dem durch die jeweiligen Versuche ermittelten Wärmeübergangsfaktor 20 versehen. Un terhalb jedes Wärmeübergangsfaktors 20 ist ein weiterer Faktor "Z" als Klammerausdruck angegeben. Dabei handelt es sich um einen über eine empi risch ermittelte Gleichung 22 als Funktion der Höhe h und des Schrägungs winkels R der Rippen berechneten Multiplikator. Bei Anwendung der Glei chung 22 sind die Höhe h der Rippen in "mil" (0,001 in) und der Schrägungs winkel R als Winkel zwischen den Rippen und der Längsachse der Wärmetauscher röhre in Grad anzugeben.

Die in Fig. 3 dargestellten Bereiche 24 und 26 resultieren aus Kombinationen verschiedener Höhen h und Schrägungswinkel R der Rippen, die einen mit Gleichung 22 berechneten Faktor ergeben, der größer als 2 ist. Mit anderen Worten ist bei innerhalb der Bereiche 24 oder 26 liegenden Wärmetauscherröh ren mit im Inneren vorgesehenen Rippen mit einer bestimmten Höhe h und ei nem bestimmten Schrägungswinkel R eine im Vergleich zu Wärmetauscherröhren ohne Rippen doppelte Wärmeübergangsrate zu erwarten. An dieser Stelle soll te erwähnt werden, daß in den US-PS 45 45 428 und 41 18 944 die Bedeu tung der Bereiche 28 und 30 bzw. des darin liegenden Bereiches 26 bereits herausgestellt wurde. Die Bedeutung des relativ engen Bereiches 24 ist dort jedoch nicht angesprochen worden. Der Bereich 24 kennzeichnet gerade die jenigen Wärmetauscher bzw. Wärmetauscherröhren nach der bevorzugten Lehre der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine Änderung des Wärmeübergangs in Abhängigkeit vom Schrägungs winkel R bei vorgegebener Höhe h der Rippen von 0,008 in = 8 mils ( 0,02 mm). Die durch die Punkte C, D, G und H dargestellten Wärmetauscherröhren weisen eine Höhe h von 0,008 in ( 0,20 mm), 0,0075 in ( 0,19 mm), 0,0085 in ( 0,22 mm) bzw. 0,008 in ( 0,20 mm) auf. Eine V-förmige Kurve 32 stellt den aus Gleichung 22 bei einer konstanten Höhe h der Rippen von 0,008 in ( 0,20 mm) berechneten Faktor Z als Funktion des Schrägungswinkels R dar. die Kurve 32 zeigt die Zunahme bzw. die Abnahme des Faktors Z bei Zunahme bzw. Abnahme des Schrägungswinkels R von einem Minimum 34 bei R = 12 Grad ausgehend.

In Fig. 5 ist der Einfluß der Höhe h der Rippen auf den Faktor bei kon stantem Schrägungswinkel dargestellt. Kurve 36 zeigt den aus Gleichung 22 berechneten Faktor Z als Funktion der Höhe h der Rippen bei einem kon stanten Schrägungswinkel R = 6°. Die durch die Punkte B, C, D und E darge stellten Wärmetauscherröhren mit darin vorgesehenen Rippen weisen einen Schrägungswinkel R von 7°, 7°, 5° bzw. 6° auf. Punkt 38 stellt eine vergleich bare Wärmetauscherröhre ohne Rippen dar. Fig. 5 ist zu entnehmen, daß bei ei nem Schrägungswinkel R von 6° ein optimaler Wärmeübergang bei einer Höhe h der Rippen von mindestens 0,007 in ( 0,18 mm) erreicht wird.

Zur Vereinfachung der Herstellung der Rippen ist es jedoch günstig, die Höhe h der Rippen auf weniger als 0,03 in ( 0,76 mm) zu begrenzen. Damit bewegt sich die Höhe der Rippen im wesentlichen im Bereich der in Fig. 2 gezeigten nominalen Wanddicke 40 (Fig. 2) verfügbarer Wärmetauscherröhren, die normalerweise ohne Rippen im Bereich von 0,012 in ( 0,3 mm) bis 0,033 in ( 0,84 mm) liegt. Beim Einsatz einer Wärmetauscherröhre mit ei nem Außendurchmesser von 0,375 in ( 9,5 mm) und einer nominalen Wanddicke von 0,027 in ( 0,69 mm) wird sich eine im Inneren der Wärmetauscherröhre vorgesehene Rippe mit beispielsweise einer Höhe von 0,02 in ( 0,5 mm) zur Erzeugung eines minimalen Strömungswiderstandes nur um 7% des Durchmessers in die Wärmetauscherröhre hinein erstrecken.

Die Versuche zeigen auch, daß der Faktor Z bei niedrigem Massenstrom seine höchsten Werte erreicht (vgl. Kurve 42 in Fig. 6). Kurve 42 basiert einer seits auf tatsächlich ermittelten, durch die Punkte 44 und 46 dargestellten Werten, andererseits auf empirisch hergeleiteten, durch die Punkte 48 dar gestellten Werten. Kurve 42 zeigt deutlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher 10 ein Massenstrom von 400 lbs/h ( 181,44 kg/h) optimal ist. Die Gerade 43 repräsentiert eine Wärmetauscherröhre ohne Rippen, die defi nitionsgemäß einen Faktor 1 aufweist. Ein Vergleich der Kurve 42 mit der Ge raden 43 ergibt, daß die Wärmetauscherröhre 10 gegenüber einer vergleichba ren Wärmetauscherröhre ohne Rippen bis zu einem Massenstrom von 650 lbs/h ( 295 kg/h) überlegen ist. Bei einer Wärmetauscherröhre 10 mit einem Außen durchmesser von 0,375 in ( 9,5 mm) und einem Innendurchmesser von 0,321 in ( 8,15 mm) ergibt ein Massenstrom von 650 lbs/h ( 295 kg/h) einen spezi fischen Mengendurchsatz von 8,032 lbs/h · in² ( 565 kg/h · cm²).

Die Wärmetauscherröhre 10 ist ebenfalls beim Einsatz als Verflüssiger unter sucht worden. Die Versuche verliefen ähnlich wie die beim Einsatz der Wär metauscherröhre als Verdampfer mit der Ausnahme, daß das durch die Wärme tauscherröhre hindurchgeleitete Kühlmittel gekühlt und nicht erhitzt wurde. Die Versuche ergaben, daß der sich beim Einsatz der Wärmetauscherröhre 10 als Verdampfer mit 2,12 ergebende Werte des Faktors 20 beim Einsatz der Wärme tauscherröhre 10 als Verflüssiger lediglich auf 2,02 fiel. Der geringe Abfall von 4,7% zeigt, daß die Wärmetauscherröhre 10 sowohl als Verdampfer als auch als Verflüssiger geeignet ist.

Claims

1. Wärmetauscher mit mindestens einer Wärmetauscherröhre (10) zur Leitung eines Strömungsmediums, wobei die Wärmetauscherröhre (10) an der Innen fläche (11) eine Mehrzahl von längs laufenden, in Umfangsrichtung mit Ab stand (16) zueinander angeordneten Rippen (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Massenstrom der Wärme tauscherröhre (10) unter 8000 lbs/h · in² ( 562,5 kg/h · cm²) liegt, daß der Schrägungswinkel (R) der Rippen (12) bezüglich der Längsachse (14) der Wärmetauscherröhre (10) weniger als 12 Grad beträgt und daß der Ab stand (16) zwischen den Rippen (12) im Bereich von 0,01 in ( 0,254 mm) und 0,04 in ( 1,016 mm) liegt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrä gungswinkel (R) weniger als 4 Grad beträgt.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (12) im wesentlichen geradlinig längs der Wärmetauscherröhre (10) verlaufen und der Schrägungswinkel (R) im wesentlichen 0 Grad beträgt.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (16) zwischen den Rippen (12) im Bereich von 0,013 in ( 0,330 mm) bis 0,033 in ( 0,838 mm) liegt.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) der Rippen (12) unter 0,030 in ( 0,762 mm) liegt.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) der Rippen (12) über 0,005 in ( 0,127 mm) liegt.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) der Rippen (12) über 0,007 in ( 0,177 mm) liegt.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Höhe (h) der Rippen (12) im Bereich von 0,009 in ( 0,228 mm) bis 0,03 in ( 0,762 mm) liegt.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (h) der Rippen (12) im Bereich von 0,01 in ( 0,254 mm) bis 0,02 in ( 0,508 mm) liegt.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher als Verdampfer arbeitet und mit einem Kühlsystem strö mungsverbunden ist, daß das Kühlsystem einen weiteren Wärmetauscher aufweist und daß der weitere Wärmetauscher baugleich mit dem als Verdampfer arbeiten den Wärmetauscher ist und als Verflüssiger arbeitet.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Massenstrom der Wärmetauscherröhre (10) einen Massen durchsatz unter 400 lbs/h ( 181,5 kg/h) ermöglicht.

12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsmedium ein Kühlmittel ist und daß der Zustand - das Verhält nis von Gasanteil zu Flüssigkeitsanteil - des Kühlmittels sich beim Durch strömen der Wärmetauscherröhre (10) ändert.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustand des Kühlmittels in der Wärmetauscherröhre (10) zwischen zwei Grenzwerten vari iert und daß der eine Grenzwert über 0,6 und der andere Grenzwert unter 0,6 liegt.

14. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungsmedium ein Fluorkohlenwasserstoff vorgesehen ist.

15. Wärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Strö mungsmedium Difluormonochlormethan vorgesehen ist.