DE602004003422T2

DE602004003422T2 - Mit Innenrippen versehene Rohre für Wärmetauscher für einphasige, wässrige Fluide

Info

Publication number: DE602004003422T2
Application number: DE602004003422T
Authority: DE
Inventors: Nicolas Avanan; Guy De Hollain; Pascal Leterrible
Original assignee: Trefimetaux SAS
Current assignee: Trefimetaux SAS
Priority date: 2003-05-26
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2024-03-26
Also published as: EP1482269A2; ES2278241T3; US20050045319A1; PL1482269T3; DE602004003422D1; US7267166B2; EP1482269A3; PT1482269E; FR2855601B1; EP1482269B1; ATE347083T1; FR2855601A1; DK1482269T3

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Rohre für Wärmetauscher, und insbesondere das Gebiet der Rohre für Wärmetauscher, die ein so genanntes einphasiges Medium benutzen, d.h. ein Medium, für das der Wärmeaustausch keinen Verdampfungs- und Kondensationszyklus umfasst, wohingegen die so genannten zweiphasigen Medien Medien sind, bei denen die latente Verdampfungs- und Kondensationswärme ein Rolle spielt.
STAND DER TECHNIK
Es ist eine große Anzahl von Dokumenten bekannt, die die Geometrie von bei Wärmetauschern benutzten gerillten Rohren beschreiben.
Als Beispiel kann die Patentanmeldung EP - A2 - 0 148 609 genannt werden, die gerillte, dreieckige oder trapezförmige Rohre beschreibt, die folgende Kennzeichen aufweisen:

– ein Verhältnis H/Di zwischen 0,02 und 0,03, wobei H die Rillentiefe (bzw. die Höhe der Rippen) und Di den Innendurchmesser des gerillten Rohrs angibt,
– einen Helix-Winkel β in Bezug auf die Rohrachse zwischen 7 und 30°,
– ein Verhältnis S/H zwischen 0,15 und 0,40, wobei S den Rillenquerschnitt kennzeichnet,
– einen Apex-Winkel α der Rippen zwischen 30 und 60°.

Diese Rohrkennzeichen werden an Medien mit Phasenübergang angepasst, wobei die Rohrleistungen auf unterschiedliche Weise bei der Verdampfung und Kondensation des Mediums untersucht werden.
Die japanische Anmeldung Nr. 57 - 58088 beschreibt V-förmig gerillte Rohre mit einem H zwischen 0,02 und 0,2 mm, und einem Winkel β zwischen 4° und 15°.
Ähnliche Rohre werden in der japanischen Anmeldung Nr. 57-58094 beschrieben.
Die japanische Anmeldung Nr. 52 - 38663 beschreibt V- bzw. U-förmig gerillte Rohre mit einem H zwischen 0,02 und 0,2 mm, einer Steigung P zwischen 0,1 und 0,5 mm und einem Winkel β zwischen 4° und 15°.
Das US - Patent Nr. 4 044 797 beschreibt V- bzw. U-förmig gerillte Rohre, die den obigen Rohren ähnlich sind.
Das japanische Gebrauchmuster Nr. 55 - 180186 beschreibt gerillte Rohre mit trapezförmigen Rillen und dreieckigen Rippen mit einer Höhe H zwischen 0,15 und 0,25 mm, einer Steigung P von 0,56 mm, einem Apex-Winkel α (ein Winkel der in diesem Dokument O genannt wird) der typischerweise gleich 73° ist, einem Winkel β von 30°, und einer mittleren Dicke von 0,44 mm.
Die US - Patente Nr. 4 545 428 und Nr. 4 480 684 beschreiben V-förmig gerillte und dreieckig gerippte Rohre mit einer Höhe H zwischen 0,1 und 0,6 mm, einer Steigung P zwischen 0,2 und 0,6 mm, einem Apex-Winkel α zwischen 50 und 100° und einem Helix-Winkel β zwischen 16° und 35°.
Das japanische Patent Nr. 62 - 25959 beschreibt trapezförmig gerillte und gerippte Rohre, mit einer Rillentiefe H zwischen 0,2 und 0,5 mm, einer Steigung P zwischen 0,3 und 1,5 mm, wobei die mittlere Breite der Rillen mindestens gleich der mittleren Breite der Rippen ist. In einem Beispiel ist die Steigung P gleich 0,70 mm und der Helix-Winkel β gleich 10°.
Das europäische Patent EP - B - 1 - 701 680 , auf den Namen der Patentanmelderin, beschreibt schließlich flachbödig gerillte Rohre mit Rillen unterschiedlicher Höhe, mit einem Helix-Winkel β zwischen 5 und 50°, einem Apex-Winkel α zwischen 30 und 60° um bessere Leistungen nach dem Crimpen der Rohre und der Montage in die Wärmetauscher zu erhalten.
Allgemein hängen die technischen und wirtschaftlichen Leistungen der Rohre, die sich aus der Wahl der Kombinationen der Mittel, die die Rohre definieren (H, P, α, β, Form der Rillen und Rippen usw.) ergeben, von vier Erwägungen ab:

– einerseits, dem Wärmetransferkennzeichen (Wärmeaustauschkoeffizient), Gebiet auf dem die gerillten Rohre den ungerillten Rohren überlegen sind, so dass bei äquivalentem Wärmeaustausch die erforderliche Länge der gerillten Rohre unter der der ungerillten Rohre liegt,
– andererseits die Kennzeichen, die sich auf die Lastverluste beziehen, wobei schwache Lastverluste es erlauben, Pumpen und Kompressoren mit geringerer Leistung, Abmessungen und Kosten zu benutzen,
– außerdem die industrielle Machbarkeit der Rohre und die Herstellungsgeschwindigkeit die den Selbstkostenpreis des Rohrs beim Hersteller des Rohres bestimmt,
– schließlich die Kennzeichen in Bezug auf die mechanischen Kennzeichen der Rohre, typischerweise abhängig von der Natur der benutzten Legierungen und der mittleren Dicke der Rohre, Dicke, die das Rohrgewicht pro Längeneinheit bestimmt, und also den Selbstkostenpreis bestimmt.

PROBLEMSTELLUNGEN
Einerseits gibt es, wie es sich aus dem Stand der Technik ergibt, eine große Anzahl und eine sehr große Vielfalt von Informationen, was die gerillten Rohre betrifft, wobei zu berücksichtigen ist, dass sie allgemein die Optimierung des Wärmeaustauschs und die Verminderung des Lastverlustes betreffen.
Andererseits bietet jede dieser Informationen sehr oft eine große Palette von Möglichkeiten, wobei die Parameter allgemein durch relativ breite Wertebereiche definiert werden.
Schließlich betreffen diese Informationen, wenn es spezifiziert ist, den Austausch mit zweiphasigen Medien, d.h. die Medien, die ein Medium benutzen, das in einem Teil des Medienkreislaufs im Wärmetauscher verdampft, und in einem anderen Teil des Kreislaufs kondensiert, wobei dasselbe gerillte Rohr bei der Verdampfung und der Kondensierung nicht gleichermaßen leistungsfähig ist.
Der Fachmann hat also große Schwierigkeiten, die Quintessenz aus dem Stand der Technik, mit einer so großen Menge an häufig widersprüchlichen Daten zu ziehen.
Der Fachmann weiß jedoch, dass ein typisches Rohr aus dem Handel mit dreieckigen Rippen wie es in der 1 dargestellt ist, typischerweise die folgenden Kennzeichen aufweist: Außendurchmesser De = 12mm, Rippenhöhe = 0,25 mm, Dicke der Rohrwand Tf = 0,35 mm, Anzahl der Rippen N = 65, Helix-Winkel β = 18° Apex-Winkel α = 55°.
Die vorliegende Erfindung betrifft Rohre oder Wärmetauscher auf dem Gebiet der einphasigen Medien und für reversible Anwendungen, d.h. Rohre oder Wärmetauscher, die mit Wasser oder Glykolwasser als Kälte- und Wärmeträger-Medien benutzt werden, d.h. entweder typischerweise um Luft in Wärmetauschern von Klimaanlagen zu kühlen oder typischerweise Luft in Wärmetauschern zu erwärmen.
Die Patentanmelderin dieses Patents hat also Rohre und Wärmetauscher entwickelt, die gleichzeitig wirtschaftlich mit einem relativ geringen Metergewicht, hohen Wärmeaustauschleistungen, und einem geringen Lastverlust, und zwar für Anwendungen und Bereiche, die einphasige Medien benutzen, sind.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß sind die gerillten Metallrohre mit einer Dicke Tf am Rillenboden und einem Außendurchmesser De, die typisch für die Herstellung von Wärmetauschern bestimmt sind, die ein einphasiges Kühl- oder Heiz-Medium verwenden und innen von N spiralförmigen Rippen gerillt sind mit einem Apex-Winkel α mit der Höhe H, einer Basisbreite L_N und einem Helix-Winkel β, wobei zwei aufeinander folgende Rippen durch eine Rille mit typisch flachem Boden der Breite L_R, mit einer Steigung P = L_R + L_N getrennt sind, dadurch gekennzeichnet dass:

a) die Dicke Tf des Rohrs derart ist, dass Tf/De gleich 0,023 +/–0,005 ist, wobei Tf und De in mm angegeben sind, mit De zwischen 4 mm und 14, 5 mm,
b) die Rippen eine Höhe H aufweisen, so dass H/De = 0,028 +/–0,005 ist, wobei H und De in mm angegeben sind,
c) die Anzahl N der Rippen derart ist, dass N/De = 2,1 +/–0,4 ist, wobei die entsprechende Steigung P = π × Di/N ist, mit Di = De – 2 × Tf, wobei De in mm angegeben ist,
d) die Basisbreiten L_N und L_R derart sind, dass L_N/L_R zwischen 0,20 und 0,80 beträgt,
e) der Apex-Winkel α zwischen 10° und 50° liegt,
f) der Helix-Winkel β zwischen 20° und 50° liegt.

In der Tat hat die Patentanmelderin bei der Untersuchung der Wärmeaustauschsysteme mit einphasigem Medium im Gegensatz zu Systemen mit zweiphasigem Medium bei denen der Teil des Systems, der in Verbindung mit der Wärmequelle war, der Ort der Verdampfung war, während der Teil des Systems der in Verbindung mit der Kältequelle war, der Ort der Kondensation war, beobachten können, dass die gerillten Rohre, die hohe Leistungen mit einem zweiphasigen Medium aufwiesen, nicht für einphasige Medien geeignet waren.
Die Patentanmelderin hat es dank der Kombination der vorgenannten Mittel a) bis f) geschafft, Rohre zu erhalten, die gleichzeitig für einphasige Medien mit geringem Lastverlust und geringem Gewicht pro Meter geeignet sind.
Diese Rohre weisen insbesondere im Gegensatz zum Stand der Technik gleichzeitig eine geringe Anzahl von Rippen und eine relativ geringe Dicke auf.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die verschiedenen zur Definition der erfindungsgemäßen Rohre benutzten Parameter werden auf den 1a und 1c dargestellt, um ihre Bedeutung darzustellen.
Die 1a stellt eine Teilansicht eines gerillten Rohres (1) im Teilschnitt in Richtung der Rohrachse dar, um den Helix-Winkel β darzustellen.
1b stellt eine Teilansicht eines gerillten Rohres (1) im Teilschnitt rechtwinklig zur Rohrachse, um den Fall eines Rohres darzustellen, das aufeinander folgende Rippen (2) mit der Höhe H darstellt, wobei die Rippen im wesentlichen dreieckig sind, mit einer Breite L_N an der Basis und einem Apex-Winkel α, getrennt durch im wesentliche trapezförmige Rillen (3) mit einer Breite L_R, wobei L_R die Entfernung zwischen zwei Rillen ist. Dieses Rohr hat eine Dicke Tf, einen Außendurchmesser De, einen Innendurchmesser Di und eine Steigung P, die gleich L_R + L_N ist.
Die 1c ist eine Teilansicht eines gerillten Rohres bei dem die Rippen eine Aufeinanderfolge von trapezförmigen Rippen mit der Höhe H1 und H2 < H1 bilden.
Die 2a stellt analog zu den 1b oder 1c eine Rippe (2) des Rohres laut Versuch A dar.
Die 2b stellt analog zur 2a eine Rippe (2) des Rohres laut Versuch C dar.
Die 2c stellt analog zur 2a eine Rippe (2) des Rohres laut Versuch F dar.
Die 3a stellt analog zur 2a eine Rippe (2) des Rohres laut dem zum Versuch A ähnlichen Versuch A' dar.
Die 3b stellt analog zur 2a eine Rippe (2) des Rohres laut Versuch B dar.
Die 3c ist analog zur 2b davon eine Variante.
Die 4a ist eine Ansicht eines Teils der Innenfläche eines erfindungsgemäß gerillten Rohres mit einer axialen Gegenrille (30) mit darunter seiner schematischen Darstellung.
Die 4b ist eine perspektivische schematische Ansicht der Batterie (4) der Rohre (1) mit Rippen (5), die für die Tests benutzt worden sind.
Die 5a und 5b sind Graphiken, die den Wärmetauschkoeffizienten Hi(in W/m² × K) als Ordinate als Funktion des Lastverlustes dP in Pa/m als Abszisse angeben, wenn das Kühlmedium eine wässrige Formatlösung von K ist, jeweils mit +5°C (4a) und –5°C (4b).
Die 6a und 6b sind analog zu den 4a und 4b, aber für den Fall dass das Kühlmedium eine wässrige Lösung von Glykolpropylen ist.
Die 7 ist eine Graphik, die den Wärmetauschkoeffizienten Hi (in W/m² × K) als Ordinate als Funktion der Reynoldszahl als Abszisse angibt, wenn das Kühlmedium eine wässrige Lösung von Glykolpropylen ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß kann der Helix-Winkel β von 25° bis 35° gehen. In der Tat ist es der Bereich, der es erlaubt, einen hohen Wärmetauschkoeffizienten Hi zu erhalten und Rohre mit Rillung herzustellen, wobei der Wärmetauschkoeffizient Hi für kleineren Helix-Winkelwerte β merklich abnimmt und die Herstellungsgeschwindigkeit für die größeren Helix-Winkelwerte β abnimmt.
Erfindungsgemäß kann der Apex-Winkel α typischerweise kleiner als 45° sein und kann bevorzugt zwischen 15° und 30° liegen.
In der Tat wird der Wärmetauschkoeffizient Hi für größere Apex-Winkelwerte α kleiner und für kleinere Apex-Winkelwerte gibt es insbesondere wegen der Abnutzung der Werkzeuge oder Drehspindeln zur Formung Herstellungsschwierigkeiten und die spitzen Winkel neigen dazu, bei der Herstellung einer Batterie mit Rippen anlässlich der Expansion der Rohre zerstört zu werden.
Es ist, was insbesondere den Wärmetauschkoeffizient Hi angeht, vorteilhaft gefunden worden, dass das Verhältnis S/H, wobei S die Fläche zwischen zwei aufeinander folgenden Rillen ist, zwischen 0,8 mm und 1,5 mm, wobei S und H jeweils in mm² und mm angeben sind.
Bevorzugt kann das Verhältnis H/De gleich 0,028+/–0,003 sein. In der Tat ist es, wie oben angegeben, vorteilhaft, Rippen mit einer genügend großen Höhe zu haben, um einen großen Wärmetauschkoeffizienten Hi aufzuweisen, dahingegen sollte die Höhe nicht zu groß sein damit die Rippen gleichzeitig leicht herzustellen sind und wenig empfindlich gegenüber der Expansion des Rohres bei der Herstellung einer Rohrbatterie mit Rippen ist.
Wie es insbesondere unter Anbetracht der ausgeführten Versuche erscheint, kann das Verhältnis P/H zwischen 3,5 und 7 liegen, man bekommt jedoch die besten Ergebnisse wenn dieses Verhältnis zwischen 4 und 6liegt (siehe Versuch A z.B.), und insbesondere für verhältnismäßig hohe H-Werte die mindestens gleich 0,30 mm sind.
Erfindungsgemäß können die Rippen einen dreieckigen, trapezförmigen oder viereckigen Querschnitt mit einem eventuell abgerundeten Apex-Winkel aufweisen.
Wie es auf der 2a dargestellt ist, können die Rippen einen trapezförmigen Querschnitt mit einer Basis und einem Scheitel aufweisen, wobei der Scheitel einen zentralen im wesentlichen flachen, eventuell in Bezug auf die Basis geneigten Teil aufweist, wie es auf der 2c dargestellt ist.
Insbesondere wenn das Rippenprofil ein Trapez bildet, kann der eine kleine Seite des Trapezes bildende Scheitel der Rippe abgerundete Ränder aufweisen, wie das oft der Fall ist, wenn das Profil der Rippen ein Dreieck bildet.
So können der abgerundete Gipfel und/oder die abgerundeten Ränder können Krümmungsradien bilden, die unter 100 μm liegen, wobei der Anschluss der Rippen an die typisch flachen Böden kleinere Krümmungsradien als 100 μm, vorzugsweise zwischen 20 und 50 μm aufweist.
Der abgerundete Gipfel und/oder die abgerundeten Ränder Krümmungsradien bilden, die unter 80 μm liegen, wobei der Krümmungsradius typischerweise zwischen 40 und 80 μm aufweist.
Nach einer bevorzugten Modalität der Erfindung und wie es z.B. auf den 2a, 3a oder 3b dargestellt ist, können diese Rippen symmetrisch sein und an die typisch flachen Böden mit rechtem und linkem Anschlusswinkel Θ₁ und Θ₂ angeschlossen sein, so dass Θ₁ – Θ₂ typisch 0 oder höchstens 10° beträgt, um symmetrische oder quasi symmetrische Rippen zu bilden.
Dahingegen können die Rippen, wie es auf den 2b und 2c dargestellt ist, an die typisch flachen Böden mit rechtem und linkem Anschlusswinkel Θ₁ und Θ₂ angeschlossen sein, so dass Θ₁ – Θ₂ typisch 0 oder höchstens 10° beträgt, um asymmetrische oder schräge Rippen zu bilden.
Wie es auf der 3c dargestellt ist, können die Rippen eine alternierende Aufeinanderfolge von Rippen mit rechten und linken Anschlusswinkeln Θ₁ und Θ₂ für eine Rippe und Θ₂ und Θ₁ für die andere Rippe bilden.
Wie es auf der 3b dargestellt ist, können die Rippen eine dreieckige Basis über eine Höhe h_B und einen trapezförmigen Gipfel über eine Höhe h_S aufweisen, wobei H gleich h_B + h_S ist und h_B/hs typisch zwischen 1 und 2 liegt. Wie es auf der 1c dargestellt ist, können die Rippen eine Rippenfolge der Höhe H1 = H und der Höhe H2 × H1 bilden, wobei a zwischen 0,1 und 0,9 liegt, die Rippe der Höhe H1 die Hauptrippe und die Rippe der Höhe H2 die Nebenrippe ist, wobei diese Rippen durch eine Rille mit flachem Boden getrennt sind. Siehe Versuch E mit H1 = 0,25 mm und H2 = 0,22 mm.
Wie es auf den 3a und 3b dargestellt ist, können die Rohre Nebenrippen mit der Höhe H' < 0,5 × H aufweisen und typisch auf halber Strecke zwischen zwei Rippen mit der Höhe H oder den Höhen H1 und H2 liegen
Erfindungsgemäß, und wie es auf der 4a dargestellt ist, können die Rohre ferner eine axiale Rillung umfassen, die in den Rippen Nuten mit typisch dreieckigem Profil mit abgerundetem Gipfel bilden, wobei der Gipfel einen Winkel γ zwischen 25 und 65° aufweist und das untere Teil oder der Gipfel sich in einem Abstand h von 0 bis 0,2 mm vom Boden der Rille befindet.
Die erfindungsgemäß gerillten Rohre können aus Cu und Legierungen von Cu, Al und Legierungen von Al, Fe und Legierungen von Fe sein.
Diese typisch nicht geriffelten Rohre können typisch durch Rillung der Rohre oder eventuell durch Flachrillung eines Metallbands und Bildung eines geschweißten Rohrs erhalten werden.
Diese Rohre können einen typisch runden, ovalen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. Sie können einen ovalen oder rechteckigen Querschnitt, insbesondere für den Fall von geschweißten Rohren aufweisen.
Ein anderes Ziel der Erfindung besteht aus der Verwendung von erfindungsgemäßen Rohren, und aus der Verwendung von erfindungsgemäßen Wärmetauschern bei den das Kühl- und Heizmedium als einphasiges Medium verwendet und typisch gewählt wird unter Wasser, wässrigen Glykollösungen mit typisch 30 % Glykol, Format- und/oder Acetatlösungen von K, Sorbaten, organischen Flüssigkeiten, flüssigem CO2.
Erfindungsgemäß kann das Kühl- und Heizmedium als einphasiges Medium verwendet werden, das typisch gewählt wird mit dynamischen Viskositätseigenschaften zwischen 0,5 und 30 m × Pa und einer Prandlzahl zwischen 5 und 160.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
A) Herstellung; der Rohre
Es sind erfindungsgemäß gerillte Kupferrohre mit den Referenzen A, B, C, D und G mit 12,0 mm Außendurchmesser De, ebenso wie Kontrollrohre mit den Referenzen E, F und G hergestellt worden, wobei das Rohr mit der Referenz L einem glatten Kontrollrohr entspricht.

Im übrigen sind andere Versuche mit anderen Durchmessern De ausgeführt worden, Versuche, die gezeigt haben, dass die erfindungsgemäße Rillung es erlaubt, eine Dicke Tf mit gerilltem Boden zu wählen so dass Tf/De gleich 0,023+/–0,005 ist, was zu einer Dicke Tf führt, die etwas unter der Standarddicke liegt und also einen deutlichen Gewichtsgewinn darstellt, wobei das Rohr ausreichende mechanische Benutzungsleistungen behält.

Ref.	H mm	Winkel α	Winkel β	N	Typ *	Tf mm	L_N/L_R	P/H	P mm	S/H
A	0,337	29	24	22	T1	0,30	0,28	4,84	1,63	1,36
B	0,280	33	25	20	T1-2	0,30	0,29	6,89	1,93	1,47
C	0,227	70	30	40	T2	0,30	0,77	4	0,91	0,61
D	0,304	41	25	29	T1	0,32	0,51	4,12	1,25	0,85
E	0,25 0,22	40	18	70	T2	0,35	1,15	2,56	0,64	0,35
F	0,23	53	28	65	T1	0,35	1,8	2,39	0,55	0,26
G	0,280	70	10	22	T1	0,30	0,28	5,80	1,62	1,36
L	-	-	-	-	-	0,40	-	-	-	-
*Rippentyp : T1 ist trapezförmig, T2 ist dreieckig und T1-2 ist eine Mischform

Es sei anzumerken, dass die Rohre C und G unsymmetrisch sind, wenn die Rillen der Rohre A, B, D, E und F symmetrisch sind.
B) Erhaltene Ergebnisse
Die Rohre wurden mit zwei Arten von einphasigen Medien getestet: einerseits eine wässrige Lösung aus 30 Vol. % Glykolmonopropylen und andererseits Formatlösungen von K, die bis zu –30°C gehen konnten, wobei letztere eine Gefriertemperatur von –55°C gegenüber der Glykolmonopropylen-Lösung aufweist. Die Tests wurden bei +5°C und –5°C durchgefürt.
Man hat die dynamische Viskosität (m.Pa.s) der bei diesen Temperaturen verwendeten Lösungen gemessen:

T Glykolmonopropylen (m.Pa.s) Formatlösung von K

–5°C 20 4,5

+5°C 10 2,5
Man hat übrigens die Prandlzahl für Glykolmonopropylen gemessen: 142 bei –5°C und 80 bei +5°C. Für die Formatlösung von K ist die Prandlzahl 20 bei +5°C.
B1) Gewicht pro Meter:
Die Rohre A, B, C; D und G weisen ein Metergewicht von 125 g/m auf, während die Kontrollrohre E und F, die den gerillten Rohren aus dem Stand der Technik entsprechen, ein Metergewicht von 140 g/m aufweisen, während das Rohr L ein Metergewicht von 130 g/m aufweist.
Als Schlussfolgerung beträgt der Gewichtsgewinn für die erfindungsgemässen Rohre 10 % in Bezug auf die gerillten Rohre aus dem Stand der Technik und 4 % in Bezug auf das allgemein in dieser Anmeldung benutzte glatte Rohr.
B2) Versuche mit wässrigen Lösungen von Glykolmonopropylen mit 30 Vol. %.
1) Versuch bei –5°C:
Für den Fall der Rohre A, C und L ist der Wärmetauschkoeffizient Hi (in W/m² × K) in Abhängigkeit von Re, der Reynoldszahl, für einen laminaren Betrieb, was dem Bereich 2000 < Re < 3200 entspricht, gemessen worden.
Die folgende Tabelle gibt den Wert von Hi für drei Werte von Re an: 2400, 2600 und 2800.

Re Hi Rohr A = HiA Hi Rohr C = HiC Hi Rohr L = HiL HiA/HiL HiC/HiL

2400 3250 2300 2125 1,53 1,06

2600 3500 2550 2325 1,50 1,10

2800 3750 2750 2500 1,50 1,10
Für den Fall der Rohre A, C, E, F, G und L hat man den Wärmetauschkoeffizienten Hi (in W/m² × K) in Abhängigkeit vom Lastverlust dP (Pa/m) gemessen. Die folgende Tabelle gibt die Hi-Werte für einen Lastverlust von 14 kPa/m und 16 kPa/m an:

DP KPa/m HiA HiC HiG HiF HiE HiL

14 3209 2777 2640 2300 2300 2300

16 3664 3300 3050 2936 2709 2709
Die folgende Tabelle gibt die Verhältnisse der Wärmetauschkoeffizienten Hi (in W/m² × K), an, wobei das glatte Rohr L als Referenz genommen wurde:

DP KPa/m HiA/HiL HiC/HiL HiG/HiL HiF/HiL HiE/HiL HiL/HiL

14 1,395 1,21 1,15 1 1 1

16 1,35 1,22 1,13 1,08 1
So weist das Rohr A, für einen Lastverlust von 14 kPa/m, in Bezug auf das glatte Rohr L und ebenfalls in Bezug auf die gerillten Rohre aus dem Stand der Technik einen Gewinn von beträchtlichen 39 % auf.
Für die erfindungsgemäßen Rohre A und G wurde der Einfluss des Helix – Winkels untersucht, wobei die anderen Rillenparameter übrigens gleich waren.
Die folgende Tabelle gibt die Wärmetauschkoeffizienten Hi (in W/m² × K) und deren Verhältnis für identische Lastverluste von 14 KPa/m und 18 KPa/m an.

DP KPa/m HiA HiG HiA/HiG

14 3239 2630 1,23

18 3674 3090 1,19
2) Versuch bei +5°C:
Die Versuche bei +5°C sind für die Rohre A, B, C, E, F und L ausgeführt worden. Der Wärmetauschkoeffizient Hi ist in Abhängigkeit von der Verlustlast dP (Pa/m) gemessen worden. Die folgende Tabelle gibt die Hi-Werte für einen Lastverlust von 4 kPa/m, und 8 kPa/m12kPa/man:

DP KPa/m HiA HiB HiC HiE HiF HiL

4 2545 2273 1591 1591 1591 1591

8 4000 3545 2455 2273 2273 2273

12 4545 4409 3409 3045 2909 2773
Die folgende Tabelle gibt die Verhältnisse der Wärmetauschkoeffizienten an, wobei das glatte Rohr L als Referenz genommen wurde:

DP KPa/m HiA/HiL HiB/HiL HiC/HiL HiE/HIL HiF/HIL HiL/HIL

4 1,60 1,43 1 1 1 1

8 1,76 1,47 1,08 1 1 1

12 1,64 1,59 1,23 1,10 1,05 1
B3) Versuche mit einer wässrigen Lösung von Kaliumformat
1) Versuch bei –5°C:
Für den Fall der Rohre A, B, C, E, F und L hat man den Wärmetauschkoeffizienten Hi in Abhängigkeit vom Lastverlust dP (Pa/m) gemessen. Die folgende Tabelle gibt die Hi-Werte für einen Lastverlust von 4 kPa/m, und 8 kPa/m 12 kPa/m an:

DP KPa/m HiA HiB HiC HiE HiF HiL

4 2423 1769 1769 1769 1769 1769

8 3615 2615 3000 2615 2615 2615

12 4231 3539 4000 3269 3385 3077
Die folgende Tabelle gibt die Verhältnisse der Wärmetauschkoeffizienten an, wobei das glatte Rohr L als Referenz genommen wurde:

DP KPa/m HiA/HiL HiB/HiL HIC/HiL HiE/HiL HiF/HiL HiL/HiL

4 1,37 1 1 1 1 1

8 1,38 1 1,15 1 1 1

12 1,38 1,15 1,30 1,06 1,10 1
2) Versuch bei +5°C:
Für den Fall der Rohre A, B, C, E, F und L hat man den Wärmetauschkoeffizienten Hi in Abhängigkeit vom Lastverlust dP (Pa/m) gemessen. Die folgende Tabelle gibt die Hi-Werte für einen Lastverlust von 4 kPa/m, und 8 kPa/m 12 kPa/m an:

DP KPa/m HiA HiB HiC HiE HiF HiL

4 3256 2325 2791 2325 2325 2325

8 4000 3674 4280 3442 3674 3116

12 4744 4465 5000 4465 4465 3581
Die folgende Tabelle gibt die Verhältnisse der Wärmetauschkoeffizienten an, wobei das glatte Rohr L als Referenz genommen wurde:

DP KPa/m HiA/HiL HiB/HiL HiC/HiL HiE/HiL HiF/HiL HiL/HiL

4 1,40 1 1,2 1 1 1

8 1,28 1,18 1,37 1,10 1,18 1

12 1,32 1,25 1,40 1,25 1,25 1
C) Schlussfolgerungen
Für alle Fälle von untersuchten einphasigen Medien und bei allen untersuchten Temperaturen ist das Rohr A außerordentlich leistungsfähig und vorteilhaft.
In besonderen Fällen hingegen können die Rohre B und C vorteilhaft sein. So kann das Rohr B für den Fall eines Wärmeaustausches von +5°C mit einer wässrigen Lösung aus Monopropylenglykol als zirkulierendes Medium im Wärmeaustauscher ebenfalls vorteilhaft sein. Ebenso kann das Rohr C für den Fall eines Wärmeaustausches von +5°C mit einer wässrigen Lösung aus Format von K als zirkulierendes Medium im Wärmeaustauscher ebenfalls vorteilhaft sein.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Die Erfindung weist große Vorteile auf.
In der Tat ermöglicht es die Erfindung, sehr wirksame Wärmeaustauschrohre zu haben, was den Wärmeaustausch dank eines großen Wärmetauschkoeffizienten Hi ermöglicht.
Andererseits ermöglicht es, eine geringes Metergewicht aufzuweisen, weil es die Erfindung erlaubt, Rohre gleichzeitig mit einem kleinen Durchmesser und geringer Dicke am Rillenboden zu haben, wobei die Rohre sehr leistungsfähig sind, insbesondere was den Wärmetauschkoeffizienten angeht und die geeignet sind, Rohre mit größerem Durchmesser und mit größerer Dicke am Rillenboden zu ersetzen. Außerdem trägt die relativ geringe Anzahl von Rillen dazu bei, dass die Rohre leichter werden.
Schließlich sind die erfindungsgemäßen Rohre besonders geeignet für alle Wärmeaustauschkreisläufe mit einphasigem Medium, insbesondere die, die wässrige Lösungen benutzen, was in der Praxis sehr vorteilhaft ist.

gerilltes Rohr: 1
Rippe: 2
Rille: 3
Axialrille: 30
Batterie: 4
Rippe: 5
Rohrachse: 6

Claims

Gerillte Metallrohre (1) mit einer Dicke T_f am Rillenboden und einem Außendurchmesser De, die typisch für die Herstellung von Wärmetauschern bestimmt sind, die ein einphasiges Kühl- oder Heizmedium verwenden und innen von N spiralförmigen Rippen (2) gerillt sind in einem Apex-Winkel α mit der Höhe H, einer Basisbreite L_N und einem Helix-Winkelβ, wobei zwei aufeinander folgende Rippen durch eine Rille (3) mit typisch flachem Boden der Breite L_R, mit einer Steigung P gleich L_R + L_N getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Dicke T_f des Rohrs derart ist, dass T_f/De gleich 0,023±0,005 ist, wobei T_f und De in mm angegeben sind, mit De zwischen 4 mm und 14,5 mm, b) die Rippen eine Höhe H aufweisen, so dass H/De gleich 0,028±0,005 ist, wobei H und De in mm angegeben sind, c) die Anzahl N der Rippen derart ist, dass N/De gleich 2,1±0,4 ist, wobei die entsprechende Steigung gleich π.Di/N beträgt, mit Di gleich De-2.Tf, wobei De in mm angegeben ist, d) die Basisbreiten L_N und L_R derart sind, dass L_N/L_R zwischen 0,20 und 0,80 beträgt, d) der Apex-Winkel α zwischen 10° und 50° liegt, e) der Helix-Winkel β zwischen 20° und 50° liegt, so dass als Kühl- oder Heizmedium ein typisch einphasiges Medium verwendet werden kann, das typisch Wasser und Glykolwasser umfasst, um gleichzeitig eine hohen Wärmetauschkoeffizienten bei Heizung und Kühlung und einen geringen Lastverlust zu erreichen und um ein niedriges Gewicht/Meter zu erhalten.
Rohre nach Anspruch 1, bei denen der Helix-Winkel β vorzugsweise zwischen 25° und 35° liegt.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei denen der Apex-Winkel α typisch kleiner ist als 45° und vorzugsweise zwischen 15° und 30° liegt.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei denen das Verhältnis S/H, wobei S die Fläche zwischen zwei aufeinander folgenden Rillen ist, zwischen 0,8 und 1,5 beträgt, wobei S und H jeweils in mm² und in mm angegeben sind.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei denen H/De gleich 0,028±0,003 ist.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei denen P/H zwischen 3,5 und 7, vorzugsweise zwischen 4 und 6 liegt.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei denen die Rippen einen dreieckigen, trapezförmigen oder vierseitigen Querschnitt aufweisen, mit eventuell am Gipfel abgerundeten Winkeln.
Rohre nach Anspruch 7, bei denen die Rippen ein Profil des Typs „Trapez" mit einer Basis und einem Gipfel aufweisen, wobei der Gipfel einen etwa flachen und eventuell in Bezug auf die Basis schrägen mittleren Teil umfasst, wobei der Gipfel der Rippe eine Schmalseite des Trapez mit typisch abgerundeten Rändern bildet.
Rohre nach einem der Ansprüche 7 bis 8, bei denen der abgerundete Gipfel und/oder die abgerundeten Ränder kleinere Krümmungsradien als 100 μm aufweisen, wobei der Anschluss der Rippen an die typisch flachen Böden kleinere Krümmungsradien als 100 μm aufweisen, vorzugsweise zwischen 20 und 50 μm.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei denen die Rippen symmetrisch sind und an die typisch flachen Böden mit rechtem und linkem Anschlusswinkel θ₁ und θ₂ angeschlossen sind, so dass θ₁ – θ₂ typisch 0 oder höchstens 10° beträgt, um symmetrische oder quasi symmetrische Rippen zu bilden.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei denen die Rippen symmetrisch sind und an die typisch flachen Böden mit rechtem und linkem Anschlusswinkel θ₁ und θ₂ angeschlossen sind, so dass θ₁-θ₂ typisch 0 oder höchstens 10° beträgt, um asymmetrische oder quasi schräge Rippen zu bilden.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei denen die Rippen eine dreieckige Basis über eine Höhe h_B und einen trapezförmigen Gipfel über eine Höhe hs aufweisen, wobei H gleich h_B + h_S ist und h_B/h_S typisch zwischen 1 und 2 liegt.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei denen die Rippen eine Rippenfolge der Höhe H1 = H und der Höhe H2 = a.H1 bilden, wobei a zwischen 0,1 und 0,9 liegt, die Rippe der Höhe H1 die Hauptrippe und die Rippe der Höhe H2 den Nebenrippe ist, wobei diese beiden Rippen durch eine Rille mit flachem Boden getrennt sind.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 13, die ferner eine axiale Rillung umfassen, die in den Rippen Nuten mit typisch dreieckigem Profil mit abgerundetem Gipfel bilden, wobei der Gipfel einen Winkel γ zwischen 25 und 65° aufweist und das untere Teil oder der Gipfel sich in einem Abstand h von 0 bis 0,2 mm vom Boden der Rillen befindet.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aus Cu und Cu, Al-Legierungen und Al, Fe-Legierungen und Fe.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 15, typisch nicht gerippt, typisch erhalten durch Rillung von Rohren oder eventuell durch Flachrillung eines Metallbands und Bildung eines geschweißten Rohrs.
Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 16 mit typisch rundem, ovalem oder rechteckigem Querschnitt.
Wärmetauscher, die Rohre nach einem der Ansprüche 1 bis 17 verwenden.
Verwendung von Rohren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 und von Wärmetauschern nach Anspruch 18, bei denen das Kühl- oder Heizmedium als einphasiges Medium verwendet und typisch gewählt wird unter: Wasser, wässrigen Glykollösungen mit typisch 30% Glykol, Format- und/oder Acetatlösungen von K, Sorbaten, organischen Flüssigkeiten, flüssigem CO2.
Verwendung von Rohren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 und von Wärmetauschern nach Anspruch 18, für Wärmetauscher, bei denen das Kühl- oder Heizmedium als einphasiges Medium verwendet und typisch gewählt wird mit dynamischen Viskoseeigenschaften zwischen 0,5 und 30 m.Pa und einer Prandtl-Zahl zwischen 5 und 160.