DE4420756C1 - Mehrgängiges Rippenrohr und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Mehrgängiges Rippenrohr und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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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.)
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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