DE4420756C1 - Mehrgängiges Rippenrohr und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Mehrgängiges Rippenrohr und Verfahren zu dessen Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Rippenrohr, insbe­ sondere für Wärmeaustauscher oder dgl.; mit auf der Außen­ seite schraubenlinienförmig umlaufenden mehrgängigen integralen Rippen (vgl. beispielsweise DE-AS 21 10 485).
Rippenrohre mit auf der Außenseite schraubenlinienförmig umlaufenden, ein- oder mehrgängigen Rippen werden mittels Walzwerkzeugen, die auf Werkzeugwellen angeordnete Walz­ scheiben aufweisen, aus der Rohrwandung herausgewalzt (vgl. US-PSen 1.865.575/3.327.512 und Fig. 1).
Während beim Gewindewalzen auf Stangen bzw. dickwandigen Rohren häufig Vorrichtungen mit zwei gegenüber angeordneten Walzwerkzeugen Verwendung finden, werden zum Walzen von Rippenrohren Vorrichtungen mit drei oder vier gleichmäßig am Rohrumfang verteilten Walzwerkzeugen verwendet (vgl. Fig. 2).
Die übertragbare thermische Leistung von Rippenrohren hängt u. a. von der durch die Berippung erreichten Vergrößerung der Oberfläche ab. Deshalb hat die Rippenteilung von beripp­ ten Rohren in den letzten Jahren immer weiter abgenommen. Hierdurch konnte die durch die Berippung erreichte Oberflä­ chenvergrößerung immer weiter gesteigert werden. Bei einer Rippenteilung von 0,63 mm (entsprechend 1574 Rippen je m) wird etwa eine Vervierfachung der Oberfläche gegenüber dem glatten Rohr erreicht. Bei Anwendungen mit Phasenwech­ sel, d. h. in Verdampfern und Kondensatoren, wird durch Oberflächenkräfte und kapillarporöse Effekte eine zusätz­ liche Intensivierung des Wärmeübergangs, insbesondere bei Rohren mit geringen Rippenteilungen erreicht.
Durch die JP 60-14 45 95 (A) wird zwar ein Rippenrohr mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 offenbart, insbes. wegen der dort geforderten Steigungswinkel der Rippen von 30-50° wird jedoch durch diese Druckschrift nicht nahe­ gelegt, einen Werkzeugaufbau zu verwenden, durch den es mög­ lich ist, bei einer Gängigkeit n 4 eine Gruppe von minde­ stens zwei nebeneinander liegenden Anfängen von Rippengängen zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmeübertra­ gungsleistung der bekannten Rippenrohre zu verbessern, wobei eine wirtschaftliche Herstellung der Rippenrohre gewährlei­ stet sein muß.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Gängigkeit n 4 mindestens eine Gruppe gebildet ist, die mindestens zwei nebeneinanderliegende Anfänge (A₁, A₂ bzw. A₃, A₄ . . . ) von Rippengängen aufweist.
Die wirtschaftliche Herstellung des erfindungsgemäßen Rippenrohres wird im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.
Nach bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rippenrohres sind jeweils Gruppen von zwei, drei oder vier Anfängen von Rippengängen gebildet.
Beispielsweise ergeben sich bei einer Vorrichtung mit drei Walzwerkzeugen und sechsgängiger Walzweise drei Gruppen von jeweils zwei nebeneinanderliegenden Anfängen von Rippengän­ gen, wie in Fig. 3a gezeigt. Im Gegensatz dazu würden sich bei einer Vorrichtung mit sechs Walzwerkzeugen bei sechs­ gängiger Walzweise sechs Anfänge von Rippengängen ergeben (Fig. 3b).
Die Erfindung eignet sich insbesondere für Hochleistungs­ rippenrohre, bei denen die Rippenspitzen auf der Außenseite entweder unter Ausbildung verdickter Enden gestaucht sind, eingekerbt sind und eventuell nach dem Kerben unter Ausbil­ dung von Hohlräumen gespalten und/oder seitlich umgebogen und/oder gestaucht sind.
Bei den erfindungsgemäßen Rippenrohren beträgt die Rippen­ teilung vorzugsweise tR = 0,25-1,50 mm und die Rippenhöhe hR 1,60 mm.
Zur Intensivierung des Wärmeübergangs kann die erfindungs­ gemäß ausgebildete Außenseite der Rippenrohre mit unter­ schiedlichen Strukturen auf der Rohrinnenseite kombiniert werden. Dabei wird vorzugsweise vorgeschlagen, daß die Innenseite schraubenlinienförmig umlaufende Innenrippen aufweist, deren Teilung - senkrecht zu den Innenrippen gemessen - ti = 0,5-3 mm, deren Höhe hi = 0,2-0,5 mm und deren Steigungswinkel Θ = 25-70° beträgt.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beträgt der Steigungswinkel der Innenrippen (9) Θ = 5- 25°, das Verhältnis der Höhe der Innenrippen (9) zum Innendurchmesser des Rohres hi/Di = 0,02-0,03, der mittlere Flankenabstand der Innenrippen (9) W = 0,15-40 mm und der Scheitelwinkel der Innenrippen γ = 30-60° (W und γ werden in einer Schnittebene senkrecht zur Rohrachse gemessen).
Nach einer anderen Alternative weist die Innenseite Wel­ lungen auf, die auch unterbrochen sein können und deren Abstand - in Rohrlängsrichtung gesehen - vorzugsweise dem Produkt aus Rippenteilung tR und Gängigkeit n entspricht.
Weiterhin sind auf der Innenseite Vorsprünge empfehlenswert, die durch zwei einander kreuzende Systeme gegensinnig schraubenlinienförmiger Innenzüge gebildet sind.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Rippenrohres.
Ursprünglich wurden die Rippen auf der Rohraußenseite eines Rippenrohres eingängig gewalzt. Zur Erhöhung der Ausbringung einer Walzvorrichtung bietet sich eine Betrachtung der Beziehung für die Walzgeschwindigkeit Wwalz an. Die Walzge­ schwindigkeit berechnet sich aus:
Wwalz = π·tan (α)·Dsch·ω Gl. (1),
wobei Wwalz die Walzgeschwindigkeit, α der Schrägstellungs­ winkel, Dsch der Durchmesser der größten Walzscheibe und ω die Drehzahl der Werkzeugwellen ist.
Der Erhöhung der Drehzahl ω sind dabei technische Grenzen gesetzt. Dsch sind geometrische Grenzen gesetzt; denn der maximale Durchmesser ergibt sich aus der Bedingung, daß sich die Walzscheiben benachbarter Werkzeugwellen im Betrieb nicht berühren dürfen.
Eine Erhöhung von Wwalz läßt sich daher nur über den Schräg­ stellungswinkel α erreichen. Für tan α gilt der Zusammen­ hang:
wobei n die Gängigkeit, tR die Rippenteilung und DKern der Kerndurchmesser des Rippenrohres ist. Demnach läßt sich bei vorgegebener Rippengeometrie (Teilung und Kerndurchmesser) die Schrägstellung nur durch Erhöhung der Gängigkeit ver­ größern.
Zunächst wurden auf Walzvorrichtungen mit drei Walzwerk­ zeugen zweigängige Rippenrohre gewalzt (vgl. US-PS 3.383.893).
Später wurde auf solchen Vorrichtungen dreigängig gewalzt (vgl. US-PS 3.481.394). In dieser Patentschrift wird auch die Möglichkeit erwähnt, sechsgängig zu walzen bei Verwen­ dung von Vorrichtungen mit sechs Walzwerkzeugen. Kennzeich­ nend für den Stand der Technik ist, daß entweder alle Walzwerkzeuge in einem gemeinsamen Rippengang laufen (ein- und zweigängiges Walzen) oder im Grenzfall jedes Walzwerk­ zeug einen eigenen Rippengang formt (drei- bzw. viergängiges Walzen). Damit war eine Grenze erreicht, da davon ausgegangen wurde, daß jedes Walzwerkzeug maximal einen Rippengang erzeugen kann.
Ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16 (vgl. DE-AS 21 10 485) ist das erfindungsgemäße Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Gän­ gigkeit n der vorhandenen Anzahl N der Walzwerkzeuge derart angepaßt wird, daß ein oder mehrere der Walzwerkzeuge jeweils mehr als einen Rippengang erzeugen; d. h. es ist stets n < N.
Die Formulierung "und/oder" im Oberbegriff des Anspruchs 16 bezieht sich darauf, ob sich das Rohr bei der axialen Vorschubbewegung gleichzeitig drehen soll oder nicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß zumindest mit einem Walzwerkzeug mehr als ein Rippengang erzeugt wird. Die Gängigkeit beim Walzen von Rippenrohren wird damit beträchtlich über das bisher mögliche Niveau hinaus erhöht. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Vervielfachung der Ausbringung von Walzvorrichtungen. Die maximale Grenze der Gängigkeit liegt bei den erreichbaren Schrägstellungswinkeln der Vorrichtungen, abgesehen von der Selbsthemmung. Nach besonderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens erzeugt jedes Walzwerkzeug jeweils zwei, drei oder vier Rippengänge.
Zur Herstellung eines Rippenrohres mit gestauchten Rippen­ spitzen empfiehlt sich ein Verfahren nach Anspruch 20, zur Herstellung eines Rippenrohres mit gekerbten Rippenspitzen ein Verfahren nach Anspruch 21 und zur Herstellung eines Rippenrohres mit gespaltenen und/oder umgebogenen und/oder gestauchten Rippenspitzen ein solches nach Anspruch 22.
Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rippenrohres mit Innenrippen wird die Verwendung eines profilierten Walzdorns empfohlen. Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rippenrohres mit inneren Wellungen wird ein Verfahren nach Anspruch 24 vorgeschlagen (vgl. auch EP 0.102.407). Um zu vermeiden, daß bei den feinen Rippenteilungen die benach­ barten Wellungen auf der Rohrinnenseite zu dicht beieinander liegen, wird empfohlen, daß nicht in allen Walzwerkzeugen eine Wellscheibe zu verwenden ist.
Die Erfindung wird an Hand der folgenden Ausführungsbei­ spiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes, integrales Rippenrohr 1, auf dessen Außenseite Rippen 2 schrauben­ linienförmig umlaufen, zwischen denen eine Nut 3 gebildet ist. Die Rippen 2 weisen eine Höhe hR auf; die Rippenteilung (Abstand von Rippenmitte zu Rippenmitte) ist mit tR bezeich­ net.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Rippenrohres 1 erfolgt durch einen Walzvorgang (vgl. US-PSen 1.865.575/3.327.512) mittels der in Fig. 1 und 2b dargestellten Vorrichtung.
Es wird eine Vorrichtung verwendet, die aus N = 4 Werkzeug­ haltern 4 (4₁/4₂/4₃/4₄) besteht, in die jeweils ein Walzwerk­ zeug 5 integriert ist (in Fig. 1 ist nur ein Werkzeughalter 4 dargestellt. Es können aber beispielsweise drei oder mehr als vier Werkzeughalter 4 verwendet werden). Die Werkzeug­ halter 4 sind jeweils um β = 360°/N versetzt am Umfang des Rippenrohres 1 angeordnet. Die Werkzeughalter 4 sind radial zustellbar. Sie sind ihrerseits in einem ortsfesten (nicht dargestellten) Walzkopf angeordnet (nach einer anderen Variante wird das Rohr bei sich drehendem Walzkopf lediglich axial vorgeschoben).
Das in Pfeilrichtung in die Vorrichtung einlaufende Glatt­ rohr 1′ wird durch die am Umfang angeordneten, angetriebenen Walzwerkzeuge 5 in Drehung versetzt, wobei die Wellen 6 der Walzwerkzeuge 5 schräg zur Rohrachse verlaufen. Der Schrägstellungswinkel α der Wellen 6 wird entsprechend der gewünschten Gängigkeit n gemäß Gl. (2) eingestellt. Die Walzwerkzeuge 5 bestehen in an sich bekannter Weise aus mehreren nebeneinander auf den Wellen 6 angeordneten Walz­ scheiben 7, deren Durchmesser in Pfeilrichtung ansteigt. Die zentrisch angeordneten Walzwerkzeuge 5 formen die schrauben­ linienförmig umlaufenden Rippen 2 aus der Rohrwandung des Glattrohres 1′, wobei das Glattrohr 1′ hier durch einen profilierten Walzdorn 8 unterstützt wird. Hierdurch ent­ stehen gleichzeitig die mit Ziffer 9 bezeichneten, schrau­ benlinienförmig umlaufenden Rippen auf der Innenseite des Rohres 1.
Das Walzverfahren ist am Rohranfang bzw. an den Übergangs­ stücken zwischen berippten und unberippten Rohrabschnitten eindeutig zu erkennen, da der Walzscheibeneingriff beim Eintauchen in die Rohrwandung in Gruppen erfolgt. Fig. 3 zeigt schematisch den Unterschied zwischen erfindungsgemäßer und konventioneller Walzweise am Beispiel des sechsgängigen Walzens. Gemäß Fig. 3a sind drei Gruppen von jeweils zwei nebeneinanderliegenden Anfängen A₁, A₂ bzw. A₃, A₄ bzw. A₅ A₆ (letztere nicht dargestellt) von Rippengängen gleichmäßig über den Rohrumfang verteilt, während gemäß Fig. 3b sechs einzelne Anfänge A₁, A₂, A₃, A₄, A₅, A₆ (A₄-A₆ nicht dargestellt) am Rohrumfang angeordnet sind. (Im übrigen werden in Fig. 3a, 3b die bisherigen Bezugsziffern, z. T. mit Indizes versehen, verwendet.)
Zahlenbeispiel
Nach dem beschriebenen Verfahren wurden Rippenrohre 1 mit einer Rippenteilung tR ≈ 0,53 mm auf einer Vorrichtung mit vier Walzwerkzeugen 5 achtgängig hergestellt. Der Rippen­ durchmesser beträgt bei diesem Rohrtyp D = 19 mm, die Rippenhöhe hR = 0,95 mm. Nach Gl. (2) folgt damit für den Schrägstellungswinkel
Auf der Innenseite des Rippenrohres wurde im gleichen Arbeitsgang eine schraubenlinienförmige Innenrippenstruktur erzeugt mit ca. 40 Innenrippen 9, die unter einem Steigungswinkel Θ = 45° zur Rohrachse verlaufen.
Eine andere Realisierung beruht auf dem achtgängigen Walzen eines Rippenrohres 1 mit einer Teilung tR ≈ 0,64 mm mit einer ähnlichen Innenstruktur wie vorstehend beschrieben. Nach Gl. (2) folgt damit für den Schrägstellungswinkel
Fig. 4 zeigt ergänzend zu Fig. 1 eine Walzvorrichtung, bei der zum Stauchen zu T-förmigen Rippenspitzen 2′ jeweils zusätzlich eine Stauchscheibe 10 in den Werkzeughalter 4 integriert ist.
Zur Erläuterung der Innenstruktur des Rohres 1 zeigt Fig. 5 einen Teilschnitt senkrecht zur Rohrachse, in den die Größen Rippendurchmesser D, Innendurchmesser Di, Rippenhöhe hi, mittlerer Flankenabstand W und der Scheitelwinkel γ der Innenrippen 9 eingetragen sind.

Claims (25)

1. Metallisches Rippenrohr (1), insbesondere für Wärme­ austauscher oder dgl., mit auf der Außenseite schrau­ benlinienförmig umlaufenden, mehrgängigen integralen Rippen (2), die u. a. durch die Größen Gängigkeit n, Rippenteilung tR und Rippenhöhe hR definiert sind, wobei die n Rippengänge am Rohranfang - gleichmäßig über den Rohrumfang verteilt - beginnen, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Gängigkeit n 4 mindestens eine Gruppe gebildet ist, die mindestens zwei nebeneinanderliegende Anfänge (A₁, A₂ bzw. A₃, A₄ . . . ) von Rippengängen aufweist.
2. Rippenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Gruppen von zwei Anfängen von Rippengängen gebildet sind.
3. Rippenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Gruppen von drei Anfängen von Rippengängen gebildet sind.
4. Rippenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils Gruppen von vier Anfängen von Rippengängen gebildet sind.
5. Rippenrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenspitzen (2′) unter Ausbildung verdickter Enden gestaucht sind.
6. Rippenrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenspitzen (2′) eingekerbt sind.
7. Rippenrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenspitzen (2′) unter Ausbildung von Hohl­ räumen gespalten und/oder seitlich umgebogen und/oder gestaucht sind.
8. Rippenrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenteilung tR = 0,25-1,50 mm und die Rippenhöhe hR 1,60 mm beträgt.
9. Rippenrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß es schraubenlinienförmig verlaufende Innenrippen (9) aufweist.
10. Rippenrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung der Innenrippen (9) - senkrecht zu den Innenrippen (9) gemessen - ti = 0,5-3 mm, die Höhe der Innenrippen (9) hi = 0,2-0,5 mm und der Steigungs­ winkel der Innenrippen (9) Θ = 25-70° beträgt.
11. Rippenrohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel der Innenrippen (9) Θ = 5-25°, das Verhältnis der Höhe der Innenrippen (9) zum Innendurchmesser des Rohres hi/Di = 0,02-0,03, der mittlere Flankenabstand der Innenrippen (9) W = 0,15-0,40 mm und der Scheitelwinkel der Innenrippen γ = 30-60° beträgt.
12. Rippenrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite Wellungen aufweist.
13. Rippenrohr nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellungen unterbrochen sind.
14. Rippenrohr nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der axiale Abstand der Wellungen dem Produkt aus Rippenteilung tR und Gängigkeit n entspricht.
15. Rippenrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß es auf der Innenseite Vorsprünge aufweist, die durch zwei einander kreuzende Systeme gegensinnig schraubenlinienförmiger Innenzüge gebildet sind.
16. Verfahren zur Herstellung eines Rippenrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, bei dem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
  • a) auf der äußeren Oberfläche eines Glattrohres (1′) werden schraubenlinienförmig verlaufende Rippen (2) herausgewalzt, indem das Rippenmaterial durch Verdrängen von Material aus der Rohrwandung nach außen mittels eines Walzvorgangs gewonnen wird,
  • b) der Walzvorgang erfolgt mit mindestens einem dem Rohr anliegenden Walzwerkzeug (5), das aus mehre­ ren nebeneinanderliegenden Walzscheiben (7) mit unterschiedlichen Durchmessern besteht, die radial in die Rohrwandung eindrückbar sind und deren Wellen (6) während der Rippenerzeugung unter einem vorbestimmten, der Gängigkeit n entsprechenden Schrägstellungswinkel α gegenüber der Rohrachse angeordnet sind,
  • c) das Glattrohr (1′) wird durch einen darinliegenden Walzdorn (8) abgestützt,
  • d) das entstehende Rippenrohr (1) wird durch die Walzkräfte in Drehung versetzt und/oder entspre­ chend den entstehenden Rippen (2) vorgeschoben, wobei die Rippen (2) mit ansteigender Höhe aus dem sonst unverformten Glattrohr (1′) ausgeformt werden, gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt:
  • e) die Gängigkeit n wird der vorhandenen Anzahl N der Walzwerkzeuge (5) derart angepaßt, daß ein oder mehrere der Walzwerkzeuge (5) jeweils mehr als einen Rippengang erzeugen.
17. Verfahren nach Anspruch 16 zur Herstellung eines Rippenrohres nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Walzwerkzeug (5) jeweils zwei Rippengänge erzeugt.
18. Verfahren nach Anspruch 16 zur Herstellung eines Rippenrohres nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Walzwerkzeug (5) jeweils drei Rippengänge erzeugt.
19. Verfahren nach Anspruch 16 zur Herstellung eines Rippenrohres nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Walzwerkzeug (5) jeweils vier Rippengänge erzeugt.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16-19 zur Herstellung eines Rippenrohres nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenspitzen (2′) in mindestens einem Schritt durch radiale Kräfte verformt werden.
21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16-19 zur Herstellung eines Rippenrohres nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kerben durch mindestens eine Kerbscheibe (10) in die Rippenspitzen (2′) eingedrückt werden.
22. Verfahren nach Anspruch 21 zur Herstellung eines Rippenrohres nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenspitzen (2′) in Richtung der Rippen (2) gespalten und/oder durch axiale Kräfte umgebogen und/oder durch radiale Kräfte verformt werden.
23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16-22 zur Herstellung eines Rippenrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Glattrohr (1′) durch einen profilierten Walz­ dorn (8) abgestützt wird.
24. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 16-22 zur Herstellung eines Rippenrohres nach Anspruch 12 bzw. 13, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Herausformen der Rippen (2) die Nut (3) zwischen den Rippen (2) durchgehend bzw. nur stellen­ weise durch radiale Kräfte nach innen gedrückt wird, wobei in diesem Bereich keine Abstützung durch einen Innendorn erfolgt, so daß Rohrwandungsmaterial zur Bildung von Wellungen auf die Rohrinnenseite verlagert wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24 zur Herstellung eines Rippenrohres nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß nicht allen verwendeten Walzwerkzeugen (5) eine Wellscheibe zugeordnet wird.
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