DE3815095C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit mindestens einer Wärmetau­ scherröhre zur Leitung eines Strömungsmediums, wobei die Wärmetauscherröhre an der Innenfläche eine Mehrzahl von längslaufenden, in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander angeordneten Rippen aufweist.

Kühlsysteme, wie sie beispielsweise in Systemen zur Luftkonditionierung und in Wärmepumpen eingesetzt werden, weisen üblicherweise einen Verdichter, einen 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 einen geschlossenen Kreislauf. Jeder der Wärmetauscher weist mindestens eine Wärmetauscherröhre zur Wärmeübertragung an das oder aus dem Kühlmittel auf. Die Wärmeübertragungsrate ist durch den Einsatz der Rippen in der Wärmetauscherröhre erhöht.

Bei der Gestaltung von Wärmetauscherröhren mit darin ausgebildeten Rippen müssen verschiedene voneinander abhängige Faktoren berücksichtigt werden, die einerseits einen Einfluß auf die Wärmeübertragungsrate und andererseits auf den Strömungswiderstand der Wärmetauscherröhre haben, wobei ein hoher Strömungswiderstand zu einem Leistungsverlust des Wärmetauschers führt. Zu diesen Faktoren gehören beispielsweise der Schrägungswinkel zwischen den Rip­ pen und der Längsachse der Wärmetauscherröhre, die Höhe der Rippen, der Ab­ stand zwischen den Rippen, der Wärmestrom, der Massendurchsatz und verschie­ dene Eigenschaften des durch die Wärmetauscherröhre geleiteten Strömungs­ mediums.

Bei dem bekannten Wärmetauscher, von dem die Erfindung ausgeht (vgl. die FR-PS 24 10 238), weisen die Rippen bezüglich der Längsachse des Wärmetau­ scherrohres einen Schrägungswinkel von 0° auf. Neben den Rippen sind an der Innenfläche der Wärmetauscherrohre kreisringförmige Nuten vorgesehen. Die­ se Nuten verlaufen orthogonal zu den Rippen und sind mit einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet. Durch eine bestimmte Kombination von Rippen und Nuten wird eine Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem Wärmetauscher und einem durch das Wärmetauscherrohr strömenden Strömungsmedium bei akzep­ tablem Strömungswiderstand erreicht.

Der bekannte Wärmetauscher, von dem die Erfindung ausgeht, ist jedoch in zweierlei Hinsicht problematisch. Einerseits bewirken die orthogonal zur Strömungsrichtung des durch das Wärmetauscherrohr strömenden Strömungsme­ diums angeordneten Nuten einen erheblichen Leistungsverlust aufgrund des durch die Nuten entstehenden Strömungswiderstandes. Andererseits ist die Herstellung eines Wärmetauscherrohres mit längslaufenden Rippen und ortho­ gonal zu den Rippen ausgebildeten Nuten äußerst aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Wärmetauscher so aus­ zugestalten und weiterzubilden, daß bei einfacher Konstruktion der Wärme­ tauscher nur geringe Leistungsverluste aufweist und der Wärmeübergang zwi­ schen dem Wärmetauscherrohr und dem Strömungsmedium hinreichend ist.

Der gattungsgemäße Wärmetauscher, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe ge­ löst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägungswinkel der Rippen bzgl. der Längsachse der Wärmetauscherröhre weniger als 4° beträgt, daß die Höhe der Rippen im Bereich von 0,228 mm bis 0,762 mm liegt und der Ab­ stand zwischen den Rippen im Bereich von 0,254 mm bis 1,016 mm liegt.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß lediglich durch eine bestimmte Anord­ nung und Ausgestaltung der Rippen ein hinreichender Wärmeübergang zwischen der Wärmetauscherröhre und dem durch die Wärmetauscherröhre strömenden Strö­ mungsmedium erreicht wird. Damit die Innenwandung der Wärmetauscherröhre keinen allzu großen Strömungswiderstand dem durch die Wärmetauscherröhre strömenden Strömungsmedium entgegensetzt, sind die Rippen unter einem Schrä­ gungswinkel von weniger als 4° angeordnet. Die Kombination der Maßnahme, Rippen mit einem Schrägungswinkel von weniger als 4° vorzusehen, mit der Maß­ nahme, eine bestimmte Höhe und einen bestimmten Abstand der Rippen zu ver­ wirklichen, führt erfindungsgemäß zu einem überraschend hohen Wärmeüber­ gang und einem nur geringen Strömungswiderstand.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung auszugestal­ ten und weiterzubilden.

Dazu wird einerseits auf den dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentanspruch, andererseits auf ein in der Zeichnung dar­ gestelltes Ausführungsbeispiel verwiesen. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in einem Schnitt, schematisch, eine Wärmetauscherröhre eines er­ findungsgemäßen Wärmetauschers,

Fig. 2 in einem Koordinatensystem die Änderung des Wärmeübergangsfaktors als Funktion der Höhe und des Schrägungswinkels der Rippen,

Fig. 3 in einem Koordinatensystem die Änderung des Wärmeübergangsfaktors als Funktion des Schrägungswinkels der Rippen bei konstanter Höhe der Rippen,

Fig. 4 in einem Koordinatensystem die Änderung des Wärmeübergangsfaktors als Funktion des Massendurchsatzes bei einem bevorzugten Ausführungs­ beispiel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.

Fig. 1 zeigt eine Wärmetauscherröhre 10 eines erfindungsgemäßen Wärme­ tauschers. 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. Weiterhin haben die Rippen 12 eine Höhe h, wobei die Rippen 12 in Umfangs­ richtung an der Innenfläche 11 der Wärmetauscherröhre 10 mit einem definier­ ten Abstand zueinander angeordnet sind. Der Abstand 16 ist als Abstand zwi­ schen den Mittellinien zweier aneinander grenzender Rippen 12 definiert.

Jede der getesteten Wärmetauscherröhren hatte einen Außendurchmesser von 0,375 in (9,525 mm). Während des Versuchs wurde durch das Innere der Wärme­ tauscherröhre ein Kühlmittel geleitet. 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 Wärmetauscher­ röhre beim Durchströmen von Kühlmitteln unterschiedlicher Zustände, d. h. unterschiedlicher Gas-/Flüssigkeits-Anteile wurden die Einlaß- und Auslaß­ temperaturen des Kühlmittels kontrolliert geändert. Der Zustand des Kühl­ mittels wurde in fünf Stufen von 0,15 bis 0,85, d. h. von 15% Gasanteil bis 85% Gasanteil verändert.

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

In den Fig. 2 bis 4 sind die Ergebnisse von Versuchsreihen mit verschiedenen Wärmetauscherröhren dargestellt. Diesen Ergebnissen liegt ein Zustand des Kühlmittels von 0,6 zugrunde, die Wärmetauscherröhre arbeitete also als Ver­ dampfer. Dabei lag den Versuchen ein Massendurchsatz des Kühlmittels von 200 lbs/h (90,72 kg/h) zugrunde.

In Fig. 2 sind die Ergebnisse der Untersuchungen zusammengefaßt. Dabei sind acht verschiedene, im Inneren gerippte Wärmetauscherröhren durch die Punkte "A bis H" dargestellt. Die Punkte "A bis H" repräsentieren jeweils eine bestimmte Höhe h und einen bestimmten Schrägungswinkel R der Rippen 12. Es ist zu beachten, daß die Höhe h der Rippen in "in" abgetragen ist. Wie man beispielsweise dem Punkt B entnehmen kann, sind die Punkte "A bis H" mit dem durch die jeweiligen Versuche ermittelten Wärmeübergangsfaktor 20 versehen. Unterhalb jedes Wärmeübergangsfaktors 20 ist ein weiterer Faktor "Z" als Klammerausdruck angegeben. Dabei handelt es sich um einen über eine empirisch ermittelte Gleichung 22 als Funktion der Höhe h und des Schrägungs­ winkels R der Rippen berechneten Multiplikator. Bei Anwendung der Gleichung 22 sind die Höhe h der Rippen in "mil" (0,001 in) und der Schrägungswinkel R als Winkel zwischen den Rippen und der Längsachse der Wärmetauscherröhre in Grad anzugeben.

Die in Fig. 2 dargestellten Bereiche 24 und 26 resultieren aus Kombinationen verschiedener Höhen h und Schrägungswinkel R der Rippen, die einen mit der Gleichung 22 berechneten Faktor ergeben, der größer als 2 ist. Mit anderen Worten ist bei innerhalb der Bereiche 24 oder 26 liegenden Wärmetauscherröhren mit im Inneren vorgesehenen Rippen mit einem bestimmten Schrägungswinkel R und einer bestimmten Höhe h eine im Vergleich zu Wärmetauscherröhren ohne Rippen doppelte Wärmeübergangsrate zu erwarten. An dieser Stelle sollte er­ wähnt werden, daß in den US-PS 45 45 428 und 41 18 944 die Bedeutung der Bereiche 28 und 30 bzw. des darin liegenden Bereiches 26 bereits herausge­ stellt wurde. Die Bedeutung des relativ engen Bereiches 24 ist dort jedoch nicht angesprochen worden. Der Bereich 24 kennzeichnet gerade diejenigen Wärmetauscher bzw. Wärmetauscherröhren nach der bevorzugten Lehre der Er­ findung. Der Bereich 24 ist durch einen maximalen Schrägungswinkel der Rip­ pen von weniger als 4° und eine minimale Rippenhöhe von 0,007 in begrenzt.

Zur Vereinfachung der Herstellung der Rippen ist es 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. 1 gezeigten nomi­ nalen Wanddicke 40 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 einem Außendurchmesser von 0,375 in (9,5 mm) und einer normalen 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 Strömungswider­ standes um nur 7% des Durchmessers in die Wärmetauscherröhre hinein erstrecken.

Um sicher im durch die Kurve 24 begrenzten Bereich zu liegen, empfiehlt es sich, die untere Grenze der Höhe der Rippen h auf 0,009 in (0,228 mm) fest­ zulegen.

Fig. 3 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, E, 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 Glei­ chung 22 bei einer konstanten Höhe h der Rippen von 0,008 in (0,20 mm) be­ rechneten Faktor Z als Funktion des Schrägungswinkels R dar. Die Kurve 32 zeigt die Zunahme bzw. die Abnahme des Faktors bei Zunahme bzw. Abnahme des Schrä­ gungswinkels R von einem Minimum 34 bei R = 12° ausgehend. Die Kurve 32 zeigt, daß bei einem Schrägungswinkel R von 4° der Faktor Z einen hohen Wert annimmt.

Alle getesteten und mit der Wärmetauscherröhre 10 verglichenen Wärmetauscher­ röhren lassen sich generell in Kühlsystemen einsetzen. Dies bedeutet, daß die in Rede stehenden Wärmetauscherröhren einen maximalen Außendurchmesser von etwa 1 in (25,4 mm) aufweisen. Die Innenflächen der Wärmetauscherröhre 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 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 Kühlmitteln ist die Minimierung des Druckabfalls von besonderer Bedeutung, da die Temperatur und die Be­ schaffenheit (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 weisen innerhalb der Wärmetauscherröhre in Umfangsrichtung einen geringen Abstand zueinander auf. Der Abstand liegt im Bereich von 0,013 in (0,33 mm) bis 0,033 in (0,84 mm) und dient bei Vermeidung äußerst dünner, zerbrechlicher Rippen der Maximierung der Oberfläche der Rippen.

Die Versuche zeigen weiterhin, daß der Faktor Z bei niedrigem Massenstrom seine höchsten Werte erreicht (vgl. Kurve 42 in Fig. 4). Die Kurve 42 basiert einerseits auf tatsächlich ermittelten, durch die Punkte 44 und 46 darge­ stellten Werten, andererseits auf empirisch hergeleiteten, durch die Punkte 48 dargestellten Werten. Die Kurve 42 zeigt deutlich, daß bei dem erfindungs­ gemäßen Wärmetauscher 10 ein Massenstrom von 400 lbs/h (181,44 kg/h) opti­ mal ist. Die Gerade 43 repräsentiert eine Wärmetauscherröhre ohne Rippen, die definitionsgemäß einen Faktor 1 aufweist. Ein Vergleich der Kurve 42 mit der Geraden 43 ergibt, daß die Wärmetauscherröhre 10 gegenüber einer ver­ gleichbaren Wärmetauscherröhre ohne Rippen bis zu einem Massenstrom von 650 lbs/h (295 kg/h) überlegen ist. Bei einer Wärmetauscherröhre 10 mit einem Außendurchmesser 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 spezifischen 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 bei dem Einsatz der Wärmetauscherröhre als Verdampfer mit der Ausnahme, daß das durch die Wärme­ tauscherröhre hindurchgeleitete Kühlmittel gekühlt und nicht erhitzt wurde. Die Versuche ergaben, daß sich beim Einsatz der Wärmetauscherröhre 10 als Verdampfer mit 2,12 ergebende Wert des Faktors 20 beim Einsatz der Wärme­ tauscherröhre 10 als Verflüssiger lediglich auf 2,02 fiel. Der geringe Ab­ fall von 4,7% zeigt, daß die Wärmetauscherröhre 10 sowohl als Verdampfer als auch als Verflüssiger geeignet ist.

Claims (2)

1. Wärmetauscher mit mindestens einer Wärmetauscherröhre zur Leitung eines Strömungsmediums, wobei die Wärmetauscherröhre an der Innenfläche eine Mehr­ zahl von längslaufenden, in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander angeord­ neten Rippen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schrägungswinkel R der Rippen (12) bezüglich der Längsachse (14) der Wärmetauscherröhre (10) weniger als 4° beträgt, daß die Höhe (h) der Rippen (12) im Bereich von 0,228 mm bis 0,762 mm liegt und der Abstand (16) zwischen den Rippen (12) im Bereich von 0,254 mm bis 1,016 mm liegt.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (16) zwischen den Rippen (12) im Bereich von 0,330 mm bis 0,838 mm liegt.