DE60303306T2

DE60303306T2 - Wärmeübertragungsrohre und verfahren zur herstellung und verwendung davon

Info

Publication number: DE60303306T2
Application number: DE60303306T
Authority: DE
Inventors: Peter Decatur Thors; Tommy Hartselle Tyler
Original assignee: Wolverine Tube Inc
Current assignee: Wolverine Tube Inc
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2023-04-22
Also published as: JP4395378B2; US7178361B2; PL202538B1; US20040010913A1; KR20050016352A; IL164351A0; BRPI0304538B1; WO2003089865A1; CA2495772C; AU2003231750A1; PT1502067E; JP2005523414A; DK1502067T3; NO20035705L; EP1502067A1; CA2495772A1; US20060075773A1; AU2003231750B2; DE60303306D1; IL164351A

Description

Das Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Wärmeübertragungsrohre, das Verfahren zu ihrer Formung und ihren Gebrauch. Ganz im Besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein verbessertes Siederohr und auf ein Herstellungs- und Verwendungsverfahren dieses Rohres in einem verbesserten Kältemittelverdampfer oder -kühler.
Hintergrund der Erfindung
Eine Bauelementsvorrichtung der Industrie für Klimaanlagen- und Kühlungssysteme ist ein Kältemittelverdampfer oder -kühler. In einfachen Worten beseitigen Kühler Wärme aus einem Kühlungsmedium, das in die Einheit eintritt, und liefern aufgefrischtes Kühlungsmedium zum Klimaanlagen- oder Kühlungssystem, um das Kühlen einer Struktur, einer Vorrichtung oder eines gegebenen Bereiches in Kraft zu setzten. Kältemittelverdampfer oder -kühler verwenden ein flüssiges Kühlmittel oder andere Arbeitsflüssigkeiten, um diese Aufgabe zu erfüllen. Kältemittelverdampfer oder -kühler senken die Temperatur eines Kühlungsmediums wie Wasser (oder irgendeine andere Flüssigkeit) unter diese, die von den Umgebungsbedingungen für den Gebrauch von Klimaanlagen oder Kühlungssystem zu erreichen ist.
Eine Art Kühler stellt ein überfluteter Kühler dar. In überfluteten Kühleranwendungen wird eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsrohren vollständig in ein Becken mit einem Zweiphasensiedekältemittel eingetaucht. Das Kältemittel ist oft ein gechlortes – fluorisiertes Kohlenwasserstoff (d.h. „Freon"), das über eine genau festgelegte Siedetemperatur verfügt. Ein Kühlungsmedium, oft Wasser, wird von dem Kühler verarbeitet. Das Kühlungsmedium tritt in den Verdampfer ein und wird zu einer Mehrzahl von Rohren befördert, die in einem siedenden flüssigen Kältemittel eingetaucht sind. Folglich sind solche Rohre allgemein als „Siederohre" („boiling tubes") bekannt. Das Kühlungsmedium, das durch die Mehrzahl von Rohren fließt, wird gekühlt, da es Wärme an das siedende Kältemittel angibt. Der Dampf aus dem siedenden Kältemittel wird zu einem Verdichter befördert, der den Dampf in einen höheren Druck- und Temperaturzustand verdichtet. Der Hochdruck- und Hochtemperaturdampf wird dann in einen Kondensator geleitet, wo er durch eine Erweiterungsvorrichtung zur letztendlichen Rückkehr zum Verdampfer kondensiert wird, um Druck und Temperatur zu senken. Der durchschnittliche Fachmann wird verstehen, dass das Vorhergehende innerhalb des wohlbekannten Kühlungszyklus erfolgt.
Es ist bekannt, dass die Wärmeübertragungsleistung eines in einem Kältemittel eingetauchten Siederohres durch das Formen von Lamellen an der Rohraußenoberfläche erhöht werden kann. Es ist auch bekannt, das Wärmeübertragungsvermögen des Siederohres durch Veränderung der mit dem Kühlmedium in Kontakt kommenden inneren Oberfläche des Rohres zu erhöhen. Eine Beispiel für solch eine Veränderung an der Innenoberfläche des Rohres wird in U. S. Patent Nr. 3, 847, 212, an Wither, Jr, et. al, gezeigt, das vom Formen von Graten an die Innenoberfläche des Rohres unterrichtet.
Es ist weiterhin bekannt, dass die Lamellen verändert werden können, um noch weiter die Wärmeübertragbarkeit zu erhöhen. Zum Beispiel hat es sich eingebürgert, einige Siederohre als Blasensiederohre zu bezeichnen. Die Außenfläche der Blasensiederohre ist geformt, um mehrfache Höhlungen oder Poren (oft auch als Siede- oder Blasenstellen bezeichnet) hervorzurufen, die Öffnungen bereitstellen, die kleinen Kältemitteldampfblasen erlauben, sich darin zu formen. Die Dampfblasen tendieren dazu, sich am Grund oder an der Wurzel der Blasenstelle zu bilden und zu wachsen bis sie sich von der äußeren Rohroberfläche losreißen. Auf das Losreißen hin nimmt weiteres flüssiges Kältemittel den leer gewordenen Bereich wieder ein und der Vorgang wird wiederholt, um andere Dampfblasen zu formen. Auf diese Art und Weise wird das flüssige Kältemittel an einer Mehrzahl von Blasensiedestellen an der Außenfläche der Metallrohre weggesiedet oder verdampft.
US-Patent Nr. 4, 66, 630 an Cunningham et al. zeigt Blasensiedehöhlungen oder -poren, die durch Kerben oder Schlitzen von Lamellen an der äußeren Oberfläche des Rohres angefertigt sind. Die Kerben sind in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung zu der Lamellenebene geformt. Die innere Rohroberfläche beinhaltet helixförmige Grate. Dieses Patent stellt auch eine Kreuzschlitzprozedur, die die Lammellenspitzen deformiert, vor, so dass Blasensiedehöhlungen (oder – kanäle) geformt werden, die eine größere Breite als die Oberflächenöffnungen haben. Diese Konstruktion erlaubt es den Dampfblasen, sich äußerlich durch die Höhlungen und zu und durch die engeren Oberflächenöffnungen zu bewegen, was die Wärmeübertragung weiter erhöht. Mehrer Rohre wurde entsprechend des Patents an Cunnigham at el. von Wolverine Tube, Inc. produziert und unter dem Warenzeichen TURBO-B^® vermarktet. In einem anderen Blasensiederohr, vermarktet unter dem Warenzeichen TURBO-BII^®, sind die Kerben in einem spitzen Winkel zu der Ebene der Lamellen geformt.
In einigen Wärmeübertragungsrohren sind die Lamellen umgerollt und/oder abgeflacht, nachdem sie so geformt wurden, dass sie enge Spalten hervorrufen, die die größeren Höhlungen oder Kanäle überlagern, die von den Wurzeln der Lamellen und den Seiten der nebeneinander liegenden Lamellenpaaren festgelegt werden. Beispiele beinhalten die Rohre folgender US-Patente: Cunningham et al US-Patent Nr. 4, 660, 630; Zohler US-Patent Nr. 4, 765, 085; Zohler US-Patent Nr. 5, 054, 584; Nishizawa et al. US-Patent Nr. 5, 186, 252; Chiang et al. US-Patent Nr. 5, 333, 682.
Wie man die Dichte und die Größe von Siedeporen kontrolliert, ist gemäß dem Stand der Technik bekannt. Darüber hinaus ist auch der Zusammenhang zwischen Porengröße und Kältemitteltyp gemäß dem Stand der Technik bekannt. US-Patent Nr. 5, 146, 979 an Bohler et. al. zum Beispiel behauptet, die Leistung unter Verwendung von Hochdruckkältemittel durch den Einsatz von Rohren zu erhöhen, die über Blasensiedeporen verfügen, die von einer Größe von 0.14 bis zu 0.28 mm² (0.000220 Quadratzoll bis 0.000440 Quadratzoll) reichen(wobei die Gesamtfläche der Poren l4% bis 28% der gesamten Außenfläche beträgt). In einem anderen Beispiel stellt US-Patent Nr. 5, 146, 430 an Thors et. al. ein Wärmeübertragungsrohr vor, das über eine Mehrzahl von sich radial nach außen ausdehnenden helixförmigen Lamellen verfügt. Die Innenoberfläche des Rohres verfügt über eine Mehrzahl von helixförmigen Graten. Die Lamellen der Außenoberfläche werden eingekerbt, um Blasensiedestellen mit Poren bereitzustellen. Die Lamellen und Kerben sind in Abständen angeordnet, um Poren von einer Durchschnittsfläche von weniger als 0.06 mm² (0.00009 Quadratzoll) und einer Porendichte von 3.1mm² (2000 pro Quadratzoll) der Außenfläche des Rohres zu bilden. Die helixförmigen Grate auf der inneren Oberfläche haben eine vorherbestimmte Grathöhe und – neigung und sind in einem vorherbestimmten helixförmigen Winkel angeordnet. In Entsprechung zu den Erfindungen dieses Patents gemachten Rohre sind unter der Warenmarke TURBO-BIII^® angeboten und verkauft worden. Die Industrie setzt ihre Erforschung neuer und verbesserter Entwürfe zur Erhöhung von Wärmeübertragung- und Kühlerleistung fort. US-Patent Nr. 5, 333, 682 zum Beispiel veranschaulicht ein Wärmeübertragungsrohr, das über eine strukturierte Außenoberfläche verfügt, um sowohl eine erweiterte Rohraußenoberfläche bereitzustellen als auch eingebuchtete Höhlungen als Siedestellen zur Förderung von Blasensieden zu bilden. Ähnlich demonstriert US-Patent Nr. 6, 167, 950 ein Wärmeübertragungsrohr zum Gebrauch in einem Kondensator mit eingekerbten und mit Lamellen versehenen Oberflächen, die zur Förderung der Dränage des Kältemittels von der Lamelle strukturiert sind. Wie durch solche Entwicklungen in der Technik gezeigt, bleibt es ein Ziel, die Wärmeübertragungsleistung von Blasensiederohren zu steigern und gleichzeitig Herstellungskosten und Betriebskosten des Kühlsystems auf einem Minimum zu halten. Diese Ziele beinhalten den Entwurf effizienterer Rohre und Kühler und Verfahren zur Herstellung von solchen Rohren. Mit solchen Zielen einhergehend ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, die Leistung von Wärmeaustauschrohren im Allgemeinen und die Leistung von Wärmeaustauscherohren in überfluteten Kühlern oder Freifallanwendungen im Besonderen zu verbessern. US 4, 602, 681 an Daikoku et al. stellt eine Wärmeübertragungsoberfläche mit mehrfachen Schichten vor. In einer Ausführungsform verfügt eine Wärmeübertragungswand über verlängerte tunnelähnliche Zellen, die von äußeren Lamellen, die innere Lamellen an ihren Mittelabschnitten geformt haben, bestimmt sind In JP 03230094 (Mitsubishi Materials Company) geht es um ein poröses galvanisiertes Metallwärmeübertragungsmedium, das eine Mehrzahl von zylindrischen ersten Vertiefungen, die sich an Öffnungen verhältnismäßig verengen, und zweite Vertiefungen, die von einem kleineren Durchmesser sind, und entsprechend in den Böden der ersten Vertiefungen geformt sind, kombiniert.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung verbessert in Übereinstimmung mit den Ansprüchen frühere Wärmeaustauschröhre und Kältemittelverdampfer durch die Formung und Bildung von verbesserten Blasensiedehöhlungen, um das Wärmeaustauschvermögen des Rohres und folglich der Leistung eines Kühlers, der eine oder mehrere solcher Rohre beinhaltet, zu steigern. Damit soll gesagt werden, dass eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Rohr umfasst oder enthält, das über mindestens eine Doppelhöhlungssiedehöhlung oder – pore verfügt. Während die hier vorgestellten Rohre im Einsatz in Siedeanwendungen mit Verwendung von Hochdruckmitteln besonders wirksam sind, können sie auch zusammen mit Tiefdruckkältemitteln verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung umfasst ein verbessertes Wärmeübertragungsrohr. Das verbesserte Wärmeübertragungsrohr der vorliegenden Erfindung ist für Siede- oder Filmfallverdampfungsanwendungen geeignet, in denen die äußere Oberfläche der Rohre mit dem siedenden flüssigen Kältemittel in Berührung kommt. In einer bevorzugten Ausführung wird eine Mehrzahl von sich radial nach außen ausdehnenden helixförmigen Lamellen auf der Außenoberfläche des Rohres geformt. Die Lamellen werden eingekerbt und die Spitzen werden umgebogen, um Blasensiedehöhlungen zu bilden. Die Lamellenwurzeln können gekerbt sein, um das Volumen oder die Größe der Blasensiedehöhlungen zu vergrößern. Die oberen Lamellenoberflächen werden umgebogen und gerollt, um zweite Porenhöhlungen zu bilden. Die daraus resultierende Struktur legt doppelte Höhlungsporen oder – kanäle zur erweiterten Produktion von Verdampfungsblasen fest. Die innere Oberfläche des Rohres kann auch, wie durch die Bildung von helixförmigen Graten entlang der inneren Oberfläche, verbessert werden, um weiter die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmedium, das durch das Rohr fließt, und dem Kühlmittel, in dem das Rohr eingetaucht ist, zu erleichtern. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine besondere Erweitung der inneren Oberfläche beschränkt.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Formung eines verbesserten Wärmeübertragungsrohres. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfundenen Verfahrens beinhaltet die Schritte der Formung einer Mehrzahl von sich radial nach außen ausdehnenden helixförmigen Lamellen auf der äußeren Oberfläche des Rohres und das Biegen der Lamellen auf der äußeren Oberfläche des Rohres, das Kerben der Lamellen und das Umbiegen des restlichen (zwischen den Kerben verbleibenden) Materials, um Doppelhöhlungsblasensiedestellen zu bilden, die die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmedium, das durch das Rohr fließt, und dem Kühlmittel, in dem das Rohr eingetaucht sein kann, erhöhen.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin einen verbesserten Kältemittelverdampfer. Der verbesserte Verdampfer oder Kühler umfasst in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung mindestens ein Rohr, das für Siede- oder Filmfallverdampfungsanwendungen geeignet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das Äußere des Rohres eine Mehrzahl sich radial nach außen ausdehnender Lamellen. Die Lamellen werden gekerbt. Die Lamellen werden gebogen, um die verfügbaren Oberflächenbereiche zu vergrößern, auf denen die Wärmeübertragung erfolgen kann und um Blasendoppelhöhlungssiedestellen zu bilden und so die Wärmeübertragungsleistung zu erhöhen.
Die vorliegende Erfindung stellt so ein verbessertes Wärmeübertragungsrohr bereit. Das verbesserte Wärmeübertragungsrohr kann für sowohl überflutete Anwendungen als auch Fallfilmverdampferanwendungen geeignet sein. Vorzugsweise legt das verbesserte Wärmeübertragungsrohr mindestens eine Doppelhöhlungsblasensiedestelle fest.
Die vorliegende Erfindung stellt vorteilhafterweise ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragungsrohres für Siede- und Filmfallanwendungen bereit, wobei mindestens eine Doppelhöhlungsblasensiedestelle an der äußeren Rohroberfläche lokalisiert ist, um das Wärmeübertragungsvermögen des Rohres zu erhöhen.
In vorteilhaften Ausführungsformen sind die an der äußeren Rohroberfläche geformten Lamellen gebogen worden, um zusätzlich Oberflächenbereiche zur konvektiven Verdampfung bereitzustellen und so das Wärmeübertragungsvermögen des Rohres zu erhöhen.
An der äußeren Rohroberfläche angewendete Oberflächenerweiterungen können in einem einzigen Stich von einer Berippungseinrichtung angefertigt werden. Oberflächenerweiterungen können auch an der inneren Rohroberfläche angewendet werden, was den Fluss der Flüssigkeit innerhalb des Rohres erleichtert, den inneren Oberflächenbereich vergrößert und den Kontakt zwischen der Flüssigkeit und des inneren Oberflächenbereichs vereinfacht, um so weiter das Wärmeübertragungsvermögen des Rohres zu erhöhen.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Lamellen gebogen sein, um Mehrfachhöhlungsblasensiedestellen zu bestimmen.
Diese und andere bevorzugte Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der Lektüre der vorliegenden Schrift einschließlich der angehängten Zeichnungen gezeigt und aus ihr entnommen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Abbildung eines Kältemittelverdampfers, der in der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
2 ist eine vergrößerte, zum Teil abgebrochene axiale Querschnittsansicht eines Wärmeübertragungsrohres, das in der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
3 ist eine vergrößerte, zum Teil abgebrochene axiale Abbildung einer bevorzugten Ausführung eines Wärmeübertragungsrohres, das in der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist.
4 ist ein Fotomikrograf der äußeren Oberfläche eines Rohres aus 2 nach dem Lamellenbiegen.
5 ist ein entlang der Linie 3-3 in 4 vorgenommener Querschnitt.
6 ist ein entlang der Linie 4-4 in 4 vorgenommener Querschnitt.
7 ist ein Fotomikrograf einer äußeren Oberfläche eines in der vorliegenden Erfindung ausgestalteten Wärmeübertragungsrohres nach dem Wurzel- und Lamellenkerben, aber vor dem Lamellenbiegen.
8 ist eine schematische Darstellung der äußeren Oberfläche des Rohres aus 3.
9 ist eine grafische Darstellung, die einen Effizienzindex für ein in der vorliegenden Erfindung ausgestaltetes Rohr und für ein Wärmeaustauschrohr, das in Übereinstimmung mit den im Patent Nr. 5, 697, 430 dargelegten Erfindungen angefertigt wurde, vergleicht.
10 ist eine grafische Darstellung, die die innere Wärmeübertragungsleistung des in der vorliegenden Erfindung ausgestalteten Rohres und des Wärmeaustauschrohres, das in Übereinstimmung mit den in Patent Nr. 5, 697, 430 dargelegten Erfindungen angefertigt wurde, vergleicht.
11 ist eine grafische Darstellung, die den Druckabfalls eines in der vorliegenden Erfindung ausgestalteten Rohres und eines Wärmeaustauschrohres, das in Übereinstimmung mit den im Patent Nr. 5, 697, 430 dargelegten Erfindungen angefertigt wurde, vergleicht.
12 ist eine grafische Darstellung, die den Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten U_o im Kältemittel HFC-134a bei verschiedenen Wärmeflüssen Q/A_o vergleicht.
Detaillierte Beschreibung der Bevorzugten Ausführungsformen
In detaillierter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Ziffern durchgehend auf die gleichen Teile hinweisen, zeigt 1 eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsrohren, die in der vorliegenden Erfindung ausgestaltet im Allgemeinen unter l0 sind. Die Rohre 10 sind in einem Kältemittelverdampfer 14 enthalten. Einzelne Rohre 10a, 10b und 10c repräsentieren, wie der durchschnittliche Fachmann verstehen wird, potentiell Hunderte der Rohre 10, die gemeinsam in dem Verdampfer 14 oder -kühler enthalten sind. Die Rohre 10 können auf jede passende Weise gesichert sein, um die hier beschriebenen Erfindungen zu verwirklichen. Der Verdampfer 14 enthält ein siedendes Kältemittel 15. Das Kältemittel 15 wird von einem Kondensator in eine Schale 18 durch eine Öffnung 20 zum Verdampfer 14 befördert. Das siedende Kältemittel 15 in der Schale 18 liegt in zwei Phasen vor, flüssig und als Dampf. Kältemitteldampf entweicht aus der Verdampferschale 18 durch einen Dampfeinlass 21. Der durchschnittliche Fachmann wird verstehen, dass der Kältemitteldampf zu einem Verdichter befördert wird, wo er in einen höheren Druck- und Temperaturzustand zur Verwendung innerhalb des wohlbekannten Kühlungszyklus verdichtet wird.
Eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsrohren 10a–c, die hier in genaueren Details beschrieben werden, werden in der Schale 18 auf jede passende Weise untergebracht und befestigt. Die Rohre 10a–c können zum Beispiel von Prallflächen und dergleichen abgestützt werden. Solche Konstruktionen eines Kältemittelverdampfers sind in der Technik bekannt, Ein Kühlmedium, oft Wasser, tritt in den Verdampfer 14 durch einen Einlass 25 in einen Einlassbehälter 24 ein. Das Kühlungsmedium, das in den Verdampfer in einem relativ erhitzten Zustand eintritt, wird vom Behälter 24 in eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsrohren 10a–c hinein befördert, worin das Kühlungsmedium seine Wärme an das siedende Kältemittel 15 abgibt. Das gekühlte Kühlungsmedium fließt durch die Rohre 10a–c und verlässt die Rohre in einen Auslassbehälter 27. Das aufgefrischte Kühlungsmedium verlässt den Verdampfer 14 durch den Auslass 28. Der durchschnittliche Fachmann wird verstehen, dass das Beispiel für einen durchfluteten Verdampfer 14 nur ein Beispiel für Kältemittelverdampfer ist. Mehrere verschiedene Verdampfer sind bekannt und werden in dem Gebiet verwendet, einschließlich der Verdampfer auf Absorptionskühlern und diesen, die Filmfallanwendungen verwenden. Weiter wird sich jeder durchschnittliche Fachmann bewusst sein, dass die vorliegende Erfindung allgemein in Kühlern und Verdampfern anwendbar ist und dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine Marke oder einen Typ beschränkt ist.
2 ist eine vergrößerte abgebrochene Planansicht eines repräsentativen Rohres 10. 3, die eine vergrößerte Querschnittsansicht eines bevorzugten Rohres 10 darstellt, wird ohne weiteres zusammen mit 2 als Tandem angesehen. Zunächst in Bezugnahme auf 2 legt das Rohr 10 eine äußere Oberfläche allgemein unter 30 und eine innere Oberfläche allgemein unter 35 fest. Die innere Oberfläche wird bevorzugt mit einer Mehrzahl von Graten 38 bereitgestellt. Der durchschnittliche Fachmann wird verstehen, dass die innere Oberfläche glatt sein kann oder Kerben und Grate enthalten kann oder anders aufgewertet sein kann. Also ist daraus zu entnehmen, dass die gegenwärtig vorgestellte Ausführungsform, während sie eine Mehrzahl von Kerben zeigt, die Erfindung nicht einschränkt.
Wendet man sich der beispielhaften Ausführungsform zu, haben Grate 38 auf der inneren Rohroberfläche 35 eine Neigung „p", eine Breite „b" und eine Höhe „e", jeweils so bestimmt wie in 3 gezeigt. Die Neigung „p" legt die Distanz zwischen den Graten 38 fest. Die Höhe „e" legt die Distanz zwischen einer Decke 39 eines Grates 38 und dem innerste Teil des Grates 38 fest. Die Breite „b" wird and den höchsten Außenkanten eines Grates 38, wo Kontakt mit der Decke 30 hergestellt wird, gemessen. Ein helixförmiger Winkel „θ" wird, wie in 3 angedeutet, von der Achse zum Rohr gemessen. Also ist daraus zu entnehmen, dass die Innenoberfläche 35 des Rohres 10 (der beispielhaften Ausführungsform) mit helixförmigen Graten ausgestattet ist und dass diese Grate eine vorherbestimmte Grathöhe und -neigung haben und in einem vorherbestimmten helixförmigen Winkel ausgerichtet sind. Solche vorher bestimmte Messungen können wie erwünscht abgewandelt werden und hängen von der besonderen Anwendung ab. US-Patent No. 3,847, 212 an Withers, Jr. unterrichtet von einer relativ niedrigen Anzahl von Grate, die von relativ großer Neigung (8.46 mm, 0.333 Zoll) sind und über einen relativ großen helixförmigen Winkel verfügen (51°). Diese Parameter werden vorzugsweise gewählt, um die Wärmeübertragungsleistung des Rohres zu erhöhen. Die Formung solcher Innenoberflächenerweiterungen ist dem durchschnittlichen Fachmann wohlbekannt und braucht hier nicht weiter im Detail als hierin dargelegt, vorgestellt zu werden. Es sollte zum Beispiel bekannt sein, dass US-Patent No. 3,847, 212 an Withers, Jr. et al. ein Verfahren zur Formung und eine Formung der Innenoberflächenerhöhungen darlegt.
Die äußere Oberfläche 30 der Rohre 10 ist typischerweise anfänglich glatt. Also ist daraus zu entnehmen, dass die äußere Oberfläche 30 im Nachhinein deformiert oder erweitert wird, um eine Mehrzahl von Lamellen 50 bereitzustellen, die ihrerseits, wie hier im Detail beschrieben, mehrfache Doppelhöhlungsblasensiedestellen 55 bereitstellen. Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf Doppelhöhlungsblasensiedeporen im Detail beschrieben wird, ist daraus zu entnehmen, dass die vorliegende Erfindung Wärmeübertragungsrohre 10 beinhaltet, die über Blasensiedestellen 55 mit mehr als zwei Höhlungen verfügen. Diese Stellen 55, die typischerweise als Höhlungen oder Poren bezeichnet werden, beinhalten im Aufbau des Rohres 10 bereitgestellte Öffnungen 56 und zwar grundsätzlich auf oder unter der äußeren Oberfläche 30 des Rohres. Die Öffnungen 56 funktionieren als kleine Kreislaufsysteme, die das flüssige Kältemittel in eine Schleife oder in einen Kanal leiten, wobei sie dem Kältemittel Kontakt mit einer Blasenstelle zulassen. Öffnungen dieser Art werden typischerweise durch die Bildung von Lamellen auf dem Rohr hervorgerufen, wobei grundsätzlich Längsschlitze oder -kerben an den Spitzen der Lamellen geformt werden und dann die äußere Oberfläche deformiert wird, um abgeflachte Bereiche auf der Rohroberfläche zu erzeugen, aber um auch über Kanäle in den Wurzelbereichen der Lamellen zu verfügen. Geht man bei 2 und 3 mehr ins Detail, ist die äußere Oberfläche 30 des Rohres 10 geformt, damit sie über eine Mehrzahl von auf ihr gebildeten Lamellen 50 verfügt. Die Lamellen 50 können von einer konventionellen Berippungsmaschine auf so eine Art geformt werden wie es in Bezug auf US-Patent Nr. 4,729, 155 an Cunningham et. al zum Beispiel verstanden wird. Die Anzahl der verwendeten Dornen hängt von solchen Herstellungsfaktoren wie Rohrgröße, Durchgangsgeschwindigkeit usw. ab. Die Dornen werden in einem angemessenen Weitenmaßen um das Rohr montiert und vorzugsweise jeweils in einem zur Rohrachse relativen Winkel anmontiert.
Geht man detaillierter und mit den 7 und 8, als auch den 2 und 3 im Blickpunkt bei der Beschreibung vor, stoßen oder deformieren die Rippungsscheiben Metall auf der äußeren Oberfläche 30 des Rohres 19, um Lamellen 50 zu formen, sowie relativ tiefe Schlitze oder Kanäle 52. Wie gezeigt, sind die Kanäle 52 zwischen den Lamellen 50 geformt und sind alle grundsätzlich um das Rohr 10 herum platziert. Wie in 3 gezeigt, haben die Lamellen 50 eine Höhe, die von dem innersten Teil 57 eines Kanals 52 (oder eines Schlitzes) zu der äußersten Oberfläche 58 einer Lamelle gemessen werden kann. Ferner kann die Anzahl der Lamellen in Abhängigkeit von der Anwendung variieren. Ohne einzuschränken ist ein bevorzugter Bereich der Lamellenhöhe zwischen 0.38 und 1.5 mm (0.015 und 0.060 Zoll) und eine bevorzugte Lamellenanzahl pro mm zwischen 1.6 und 2.8 (40 oder 70 Lamellen pro Zoll). So ist zu entnehmen, dass die Rippungsprozedur eine, wie in den 7 und 8 gezeigt, Mehrzahl von ersten Kanälen 52 bildet.
Nach der Lamellenformierung wird die äußere Oberfläche 58 jeder Lamelle 50 gekerbt, um eine Mehrzahl von zweiten Kanälen 62 zu bilden. So ein Kerben kann unter Verwendung einer Kerbscheibe (zum Nachschlagen siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 4,729, 155 an Cunningham) durchgeführt werden. Die zweiten Kanäle 62, die in einem relativen Winkel zu den ersten Kanälen 52 platziert sind, stehen, wie in 7 und 8 gezeigt, damit in Verbindung. Die Kerbungsprozedur, die in US-Patent Nr. 5,729, 430 beschrieben wird, ist ein angemessenes Verfahren zur Durchführung der Einkerbungsprozedur, um zweite Kanäle 62 festzulegen und eine Mehrzahl von Kerben 64 zu bilden.
Nach der Einkerbung wird die äußere Oberfläche 58 der Lamellen 50 durch eine Verdichtungsscheibe abgeflacht oder umgebogen (zum Nachschlagen siehe zum Beispiel US-Patent Nr. 4,729, 155 an Cunningham). Dieser Schritt verflacht oder verbiegt das obere Ende oder die Lamellenköpfe jeder Lamelle, um ein Aussehen wie in 7 und 8 zum Beispiel gezeigt, hervorzurufen. Es ist daraus zu entnehmen, dass die Prozedur eine Mehrzahl von Poren 55 an den Schnittstellen der Kanäle 52 und 62 bildet. Diese Poren 55 legen die Blasensiedestellen fest sowie die Porengröße. Außerdem legt dieses erste Abflachungs- und Umbiegungsprozedur in Bezugnahme auf Details in 3 insbesondere die primären Blasensiedehöhlungen 72 fest.
Nach dem Abflachen werden die Lamellen 50 wieder von einem Rollwerkzeug gerollt oder gebogen. Die Rollprozedur übt eine Kraft quer durch und über die Lamellen 50 aus. Die Lamellen 50 werden von einem Werkzeug gebogen oder gerollt, so dass sie mindestens teilweise die Lamellenkerben 64 bedecken und dadurch sekundäre Siedehöhlungen 74 zwischen den gebogenen Lamellen 50 und den Lamellenkerben 64 bilden. Die sekundären Höhlungen 74 stellen zusätzliche Lamellenfläche über den primären Höhlungen 72 zur Verfügung, um konvektives Sieden und Blasesieden zu fördern. Also werden Poren 55 an der Schnittstelle der Kanäle 52 und 62 geformt. Jede Pore 55 hat eine Porenöffnung, die der Größe der Öffnung der Siede – oder Blasenestelle, aus der Dampf entweicht, entspricht. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung legt zwei Höhlungen, primäre Höhlung 72 und sekundäre Höhlung 74, fest, was die Rohrleistung erhöht.
Das Rohr 10 wird vorzugsweise in den ersten Kanälen 51 zwischen den Lamellen („Lamellenwurzelbereich") gekerbt, um so Wurzelkerbungen in der Wurzeloberfläche zu bilden. Das Kerben wird unter Verwendung einer Wurzelkerbscheibe durchgeführt. Während eine Vielfalt von Formen und Größen der Wurzelkerben in den Lamellenwurzelbereich gekerbt werden können, wird die Bildung von Wurzelkerben, die im Allgemein über eine Trapezform verfügen, vorgezogen. Während jede Anzahl von Wurzelkerben im Kreisumfang um jeden Schlitz 52 gebildet werden können, werden mindestens 20 bis 100, bevorzugt vierundsiebzig (47) Wurzelkerben pro Kreisumfang empfohlen. Darüber hinaus haben die Wurzelkerben bevorzugt eine Wurzelkerbtiefe von 0.0127 bis 0.127, bevorzugt 0.071 mm (0.0005 Zoll bis 0.005 Zoll und am meisten wird 0.0028 Zoll vorgezogen).
Erweiterungen sowohl der inneren Oberfläche 35 als auch der äußeren Oberfläche 30 des Rohres 10 erhöhen die Gesamteffizienz des Rohres durch Erhöhung sowohl des äußeren (h_o) und inneren (h_i) Wärmeübertragungskoeffizienten und dabei des Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten (U_o) als auch durch Reduzierung des Gesamtwiderstands zur Wärmeübertragung von einer Seite zur anderen Seite des Rohres (R_T). Die Parameter der inneren Oberfläche 35 des Rohres 10 erhöhen den Innenwärmeübertragungskoeffizienten (h_i) durch die Bereitstellung vergrößerter Oberflächenbereiche, mit denen die Flüssigkeit in Kontakt kommen kann und auch der Flüssigkeit erlaubt, innerhalb des Rohres 10 zu wirbeln, wenn es die Länge des Rohres 10 durchquert. Der Wirbelfluss neigt dazu, die Flüssigkeit in gutem Wärmeübertragungskontakt mit der inneren Oberfläche 14 zu halten, aber vermeidet übermäßige Turbulenzen, die einen unerwünschten Anstieg im Druckabfall hervorrufen könnten.
Darüber hinaus erleichtert Wurzelkerben der äußeren Oberfläche 30 des Rohres und Biegen (im Gegensatz zum traditionellen Abflachen) der Lamellen 50 die Wärmeübertragung auf der Außenseite des Rohres und steigert den Außenwärmeübertragungskoeffizienten (h_o). Die Wurzelkerben steigern die Größe und den Oberflächenbereich der Blasensiedehöhlungen und die Anzahl der Siedestellen und tragen dazu bei, die Oberfläche befeuchtet zu halten und das in Folge der Oberflächenspannungskräfte, die dort, wo es nötig ist, zur Förderung von dünnem Filmsieden beisteuern. Das Lamellenbiegen resultiert in der Formung von zusätzlichen Höhlungen (wie die sekundäre Höhlung 74), die über jeder primären Höhlung 72 platziert sind, was dazu dienen kann, zusätzliche Wärme auf das Kältemittel und durch die flüssige Dampfinterphase einer wachsenden Dampfblase, die aus der sekundären Höhlung 74 durch Konvektion und/oder Blasensieden in Abhängigkeit zu Wärmefluss und Flüssigkeits-/Dampfbewegungen über die äußere Oberfläche des Rohres entweicht, zu übertragen. Wie ein Fachmann verstehen wird, ist der Außensiedekoeffizient eine Funktion sowohl des Blasensiedeterms als auch einer konvektiven Komponente. Während der Blasensiedeterm normalerweise am meisten zur Wärmeübertragung beiträgt, ist der konvektive Term auch wichtig und kann in fließenden Kältemittelkühlern beachtlich werden.
Das Rohr 10 der vorliegenden Erfindung übertrifft in vieler Hinsicht das in US-Patent Nr. 5,679,430 vorgestellte Rohr (in den folgenden Tabellen und Grafen als „T-BIII^®"-Rohr bezeichnet), das augenblicklich unter weithin vermarkteten Rohren als führend in der Verdampfungsleistung angesehen wird. Um einen Vergleich zwischen dem verbesserten Rohr 10 der vorliegenden Erfindung (in den folgenden Tabellen und Grafen als „Neues Rohe" bezeichnet) und dem T-BIII^®-Rohres zu erlauben, stellt Tabelle 1 eine Beschreibung der dimensionalen Eigenschaften des Neuen Rohres und des T-BIII^®-Rohres bereit:
TABELLE 1 DIMENSIONSEIGENSCHAFTEN VON KUPFERROHREN MIT MEHRGÄNGIGER INNENBEGRATUNG
Tabelle 2 vergleicht die Innenleistung des Neuen Rohres und des T-BIII^®-Rohres. Beide Rohre werden bei der konstanten Rohrseitenwasserfließgeschwindigkeit von 0.32 1s^–1 (5 Gallonen pro Minute) und konstanter Wassertemperatur von 10°C (50°F) verglichen. Die Vergleiche in Tabelle 2 basieren auf Rohren mit nominalem Außendurchmesser von 19.1 mm (¾ Zoll).
TABELLE 2 ROHRSEITENEIGENSCHAFTEN VON EXPERIMENTELLEN KUPFERROHREN MIT MEHRGÄNGIGER INNENBEGRATUNG
Die Daten illustrieren die Reduzierung im Druckabfall und Steigerung in der Wärmeübertragungseffizienz, die mit dem Neuen Rohr erreicht werden. Wie aus Tabelle 2 ersichtlich und grafisch in 11 illustriert, ist das Druckabfallverhältnis (p_c/p_s), der zu einem glatten Rohr relativ ist, bei einer konstanten Fließgeschwindigkeit 0.32 1s^–1 (5 Gallonen pro Minute) beim Neuen Rohr 5% geringer als beim T-BIII^®-Rohr. Auch kann man aus Tabelle 2 und der grafischen Illustration 10 ersehen, dass das Stanton-Zahlverhältnis (St_e/St_s) des Neuen Rohres ungefähr 2% höher ist als die des T-BIII^®-Rohres. Der Druckabfall und die Stanton-Zahlverhältnisse können in einen Gesamtverhältnis der Wärmeübertragung bis zum Druckabfall kombiniert werden und sind als der „Effizienzindex" (η) definiert, der eine Gesamtmessung der Wärmeübertragung bis zum Druckabfall im Vergleich zum glatten Rohr ist. Bei 0.32 1s^–1 (5 Gallonen pro Minute) ist der „Effizienzindex" η beim Neuen Rohr 0.82 und beim T-BIII^®-Rohr 0.78, was in einer 5%igen Verbesserung des Neuen Rohres, grafisch in 9 illustriert, bei dieser Fließgeschwindigkeit resultiert. Bei 0.45 1s^–1 (7 Gallonen pro Minute) (übliche Betriebsbedingung) würde man einen höheren Verbesserungsprozentsatz erreichen.
Tabelle 3 vergleicht die Außenleistungen des Neuen Rohres und des T-BIII^®-Rohres. Die Rohre sind 2.44 m (acht Fuß) lang und jede ist in einem Kältemittelbecken bei einer Temperatur von 14.61°C (58.3 Grad Fahrenheit) eingetaucht. Die Wasserfließgeschwindigkeit wird bei 1.62 ms^–1(5.3 ft/Sekunde) konstant gehalten und die Einflusswassertemperatur ist so, dass der durchschnittliche Wärmefluss für alle Rohre bei konstanten 22.06 KWm^–2 (7000 Btu/h ft²) gehalten wird. Die Rohre sind aus Kupfermaterial hergestellt, haben einen nominalen Außendurchmesser von 19.1 mm (¾ Zoll) und die gleiche Wanddicke. Alle Tests wurden ohne jegliche Ölpräsenz im Kältemittel durchgeführt.
TABELLE 3 AUSSEN- UND INNENLEISTUNGSEIGENSCHAFTEN VON EXPERIMENTELLEN KUPFERROHREN MIT MEHRGÄNGIGER INNENBEGRATUNG
11 ist ein Graf, der den Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten U_o im Kältemittel HFC-134a bei verschiedenen Wärmeflüssen Q/A_o für das Neue Rohr und das T-BIII^®-Rohr vergleicht. Bei einem Wärmefluss von 22.06 kWm^–2 (7000 Btu/h ftt²) ist die Verbesserung des Neuen Rohres gegenüber dem T-BIII^®-Rohr 15% bei einer Wasserfließgeschwindigkeit von 0.32 1s^–1 (5 Gallonen pro Minute) (wie in Tabelle 3 gezeigt). Das Vorhergehende wird zum Zweck der Illustration bereitgestellt und erklärt und beschreibt die vorliegende Erfindung. Weitere Veränderungen und Anpassungen dieser Ausführungsformen werden für den Fachmann ersichtlich sein und können, ohne vom Geltungsbereich der folgenden Ansprüche abzurücken, gemacht werden. Darüber hinaus wird der durchschnittliche Fachmann zu schätzen wissen, dass die vorliegende Erfindung eine Lamelle bereit stellt, die über ein einmaliges Profil verfügt, dass Blasensiedestellen hervorruft, die über mehrfache Höhlungen wie eine Doppelhöhlung verfügen. Die vorliegende Erfindung stellt ein so einmaliges Profil bereit, ohne dass Metall zur Porenbildung abgehobelt wird und stellt dann ein verbessertes Herstellungsverfahren zur Formung eines verbesserten Wärmeübertragungsrohres bereit. Noch weiter resultiert die Verwendung eines oder mehrer solcher Rohre in einem überfluteten Kühler in hinsichtlich der Wärmeübertragung in einer verbesserten Leistung des Kühlers. Die vorhergehende Erklärung und Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist somit exemplarisch und die Erfindung wird in den angefügten Ansprüchen weitergeführt.

Claims

Zur Verwendung in einem Kältemittelverdampfer geeignetes Wärmeübertragungsrohr (10), welches Folgendes aufweist: eine äußere Oberfläche (30), wobei besagte äußere Oberfläche eine Mehrzahl von sich radial nach außen ausdehnenden helixförmigen Lamellen (50) mit Kanälen (52) aufweist, welche sich zwischen nebeneinanderliegenden Lamellen erstrecken, wobei die Lamellen so geformt sind, dass sie primäre (72) und sekundäre (74) Blasensiedehöhlungen bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass: die Lamellen mit Eintiefungen versehen sind, um Kerben (64) zu definieren; mindestens eine Blasensiedepore (55) an der Schnittstelle einer Kerbe und eines Kanals geformt ist; wobei die gekerbten Lammellen so gebogen sind, dass nebeneinanderliegende Lamellen Porenöffnungen bilden, welche sich von den primären Blasensiedehöhlungen (72) ausdehnen; und wobei die Lamellen weiter umgebogen sind, um die sekundären Blasensiedehöhlungen (74) zu definieren.
Wärmeübertragungsrohr (10) nach Anspruch 1, in welchem die Blasensiedepore (55) die erste und zweite Blasensiedehöhlung (72, 74) umfasst.
Wärmeübertragungsrohr (10) nach Anspruch 1 oder 2, in welchem das Rohr (10) in einem Wurzelbereich der Kanäle (52) gekerbt ist, welche sich zwischen nebeneinanderliegenden Lamellen (50) erstrecken.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragungsrohres (10) für Kontakt mit einem Kältemittel und umfassend eine innere Oberfläche (35) für Kontakt mit einem aufzufrischenden Kühlmedium, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: a) Formen einer Mehrzahl helixförmiger Grate (38) auf der inneren Seite des Rohres; b) Formen einer Mehrzahl sich radial nach außen ausdehnender Lamellen (50) auf der äußeren Oberfläche des Rohres; gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: c) Kerben der Lamellen (50) d) Umbiegen der Lamellen (50), um eine primäre Blasensiedehöhlung (72) herzustellen; und e) weiteres Umbiegen der Lamellen, um eine sekundäre Blasensiedehöhlung (74) herzustellen.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragungsrohres (10) nach Anspruch 4, in welchem der Schritt (d) des Umbiegens der Lamellen (50) zwecks Herstellung einer primären Blasensiedehöhlung (72) das Abflachen der äußeren Oberfläche (58) der Lamellen (50) umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragungsrohres (10) nach Anspruch 5, in welchem der Schritt (e) des weiteren Umbiegens der Lamellen das Rollen der Lamellen (50) umfasst, um eine Kraft durch die abgeflachten Köpfe der Lamellen und über ihnen auszuüben.
Verbesserter Kältemittelverdampfer (14), welcher Folgendes umfasst: eine Schale (18); ein innerhalb der Schale enthaltenes Kältemittel (15); und mindestens ein Wärmeübertragungsrohr (10), welches innerhalb der Schale enthalten ist und in dem Kältemittel untergetaucht ist, wobei das Wärmeübertragungsrohr eine äußere Oberfläche mit der in einem der Ansprüche 1–3 definierten Form aufweist.