DE69101619T2

DE69101619T2 - Hochleistungwärmeübertragungsoberfläche für Hochdruckkühlmittel.

Info

Publication number: DE69101619T2
Application number: DE69101619T
Authority: DE
Inventors: Steven Randall Zohler
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1990-10-24
Filing date: 1991-10-17
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2011-10-18
Also published as: KR920008454A; AR246605A1; KR940007195B1; CN1030105C; AU637561B2; AU8606991A; EP0483047A1; DE69101619D1; JPH04263791A; US5054548A; EP0483047B1; MX9101716A; CN1061088A; ES2054470T3; BR9104566A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher und insbesondere einen Rohr-Wärmetauscher mit schraubenförmigen Wärmetauscher-Rippen. In gewissen Kühl- Anwendungen, wie bei einem Kältekompressor oder einem Verdampfer, wird Flüssigkeit, die gekühlt werden muss durch ein Rohr geleitet, während flüssiges Kühlmittel mit der Aussenseite des Rohrs in Berührung ist. Das Kühlmittel ändert den Zustand von flüssig zu gasförmig, wobei es von der innerhalb des Rohres zu kühlenden Flüssigkeit Wärme absorbiert. Die Wahl der Aussenkonfiguration des Rohres hat besonderen Einfluss auf die Siedecharakteristik und die gesamte Wärmeübertragungsrate des Rohrs.
Man hat gefunden, dass die Wärmeübertragung auf eine siedende Flüssigkeit erhöht wird, wenn man Verdampfungs- Stellen schafft. Es wurde die Theorie aufgestellt, dass das Schaffen von Räumen, welche Dampf auffangen, bei Wärmetauschern Verdampfungsstellen schafft.
Beim Blasensieden wird Flüssigkeit, die an eine gefangene Dampfblase grenzt, an der Wärmetauscher-Oberfläche überhitzt. Wenn diese Flüssigkeit verdampft, wird an der Flüssigkeits-Dampfgrenze Wärme auf die Blase übertragen und die Blase wächst zu einer Grösse, bis die Oberflächenspannung durch die Auftriebs- und Bewegungskräfte überwunden werden und die Dampfblase sich von der Oberfläche ablöst. Wenn die Blase die Oberfläche verlässt, benetzt frische Flüssigkeit den nun frei gewordenen Bereich und der verbleibende Dampf hat eine Quelle zusätzlicher Flüssigkeit für die Bildung von Dampf um die nächste Blase zu bilden. Das Verdampfen von Flüssigkeit und das kontinuierliche Entziehen der erhitzten Flüssigkeit, die an die Wärmeübertragungsfläche grenzt, zusammen mit dem Konvektionseffekt, der aufgrund des Umwälzens der Flüssigkeit durch die Blasen entsteht, ergibt sich für die Oberfläche des Wärmetauschers eine verbesserte Wärmeübertragung. Der Mechanismus der Wärmeübertragung innerhalb der Dampf-Einschluss-Hohlräume wird am besten mit einem Dünnschichtverdampfen beschrieben.
Es ist bekannt, dass die Oberflächen-Wärme-Übertragungsrate im Bereich, wo die Dampfblasen gebildet werden, hoch ist. Demnach neigt die gesamte Wärme-Übertragungsrate dazu, mit der Zunahme der Dichte der Dampfbildungs-Stellen pro Oberflächeneinheit des Wärmetauschers zuzunehmen. Siehe z.B. US-A-3.696.861 herausgegeben von Webb und mit dem Titel "Wärmeübertragungs-Fläche mit einem hohen Wärme- Übertragungs-Koeffizienten". Im Webb-Patent sind die Rippen auf einem Wärmetauscher-Rohr gleichgerichtet gegen die nachfolgende Rippe gebogen, um mit der benachbarten Rippe einen engen Spalt zu bilden. In Webb wird die Theorie vertreten, dass diese engen Spalten Unter-Oberflächen- Dampfstellen oder Räume bilden, und dass die engen Spalten als Wiedereintritts-Öffnungen, welche als Einschluss- Stellen oder Hohlräume für die siedende Flüssigkeit dienen.
Aus der Theorie der Wärmeübertragung beim Sieden ist auch gut bekannt, dass Rohre mit durchgehenden Spalten zwischen nebeneinanderliegenden Rippen niedrigere Leistung deshalb erbringen, weil erhöht ein Einfliessen von flüssigem Kühlmittel aus der Umgebung durch Einsaugen geschieht und die Dampfbildungsstellen überflutet oder deaktiviert werden.
Das Problem der Überflutung wurde angesprochen und verbesserte Rohre mit Kanälen unter der Oberfläche, welche mit der Umgebung durch Oberflächen-Öffnungen oder Hohlräume verbunden sind und die mit geschlossen Abschnitten abwechseln, wurden entwickelt. Solche Rohre sind z.B. in US-A-4.438.807 von Mathur et al. mit dem Titel "Hochleistungs-Wärmeaustausch-Rohr" gezeigt. Das Mathur Patent beschreibt abwechselnd Öffnungen und geschlossene Abschnitte, bei denen die Öffnungen bei Hohlräumen nur an den Stellen oberhalb einer inneren Rippe oder Vertiefung im Rohr vorkommen.
In US-A-4.765.058 ist ein Wärmetauscher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben. Insbesondere beschreibt US-A-4.765.058 mit dem Titel "Vorrichtung zum Herstellen von verbesserten Wärmetauscher-Flächen" ein Rohr mit Rippen, welche eine Mehrzahl von Kanälen unter der Oberfläche aufweisen, welche durch übereinander gebogene, nebeneinander liegende Rippen gebildet werden, die mit dem Aussenraum über eine grosse Zahl von in gleichen Abständen angeordneten Oberflächen-Hohlräume, von im allgemeinen gleicher Grösse verbunden sind.
US-A-4.765.058 beschreibt, dass die Grösse, die Zahl und die Anordnung der Hohlräume auf der Oberfläche der Rohre für R-11 Anwendungen ausserordentlich kritisch sei. Es wurde gefunden, dass Rohre, welche nach der Lehre von US-A-4.765.058 hergestellt sind, extrem hochleistungsfähige Verdampferrohre für Niederdruck-Kühlmittel wie R-11 sind. Es wurde gefunden, dass eine Hohlraumdichte nach der Lehre von US-A-4.765.058 nicht die erwartete Hochleistungs- Wärmetausch-Charakteristik zeigt in Kühlmitteln mit höheren Drücken, wie z.B. R-22.
R-11 gehört zur Familie der unter dem Namen Fluorchlorkohlenstoffe (FCK's)) bekannten Kühlmittel. In letzter Zeit gibt es eine wachsende Zustimmung aus wissenschaftlichen Kreisen, dass die Emission von FCK's zum Abbau der stratosphärischen Ozonschicht beiträgt, welche die Erdoberfläche vor den schädlichen Einflüssen von Ultraviolett-Strahlung schützt. Internationale Vereinbarungen und Bundes- und Staatsvorschriften werden inbetracht gezogen, welche den Gebrauch, die Herstellung, den Import und das Entsorgen von FCK's regeln sollen. R-22 gehört zur chemischen Familie der Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW's). Man glaubt, dass wegen ihrem Wasserstoffanteil, FCKW's im wesentlichen in der niedrigen Atmosphäre zerfallen und als Folge davon ihr Potential zum Ozonabbau wesentlich niedriger sei, als jenes von R-11 und anderen FCK-Kühlmitteln. Demzufolge ist zu erwarten, dass R-22 in Zukunft vermehrt verwendet werden wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bisher bestehenden Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten, die mit den bisherigen Wärmetauscher-Rohren bestanden zu beheben und deren Wärmeübertragungsleistungen zu verbessern, wenn sie mit Hochdruck-Kühlmitteln wie R-22 verwendet werden.
Um dies zu erreichen, ist der Wärmetauscher nach der Erfindung durch die Merkmale nach dem Kennzeichen von Anspruch 1 gekennzeichnet. Nach der Erfindung hat jeder der offenen Abschnitte eine Querschnittsfläche von 0.000142 cm² bis 0.00284 cm² (.000220 Quadrat Inch bis .000440 Quadrat Inch), so dass die offenen Abschnitte abwechselnd Wiedereintritts-Öffnungen von einer Grösse darstellen, welche das Sieden eines Hochdruck-Kühlmittels optimal fördern. Der gesamte offene Bereich der offenen Abschnitte beträgt 14% bis 28% der gesamten Oberfläche der anderen Seite.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Hochleistungs-Siederohr für Hochdruck-Kühlmittel wie R-22 einen wärmeleitenden Basisteil auf zum Übertragen von Wärme von der Wärmequelle auf der einen Seite, zur siedenden Flüssigkeit auf der andern Seite. Die Vielzahl der nebeneinander in Abständen angeordneten Rippen sind auf der Seite, mit der siedenden Flüssigkeit angeordnet. Jede der Rippen hat eine Basis auf der Seite des Basisteils und eine Spitze. Die Spitzen sind jeweils zur nächstliegenden Rippe gebogen und bilden den unter der Oberfläche liegenden Kanal zwischen aneinandergrenzenden Rippen. Der unter der Oberfläche liegende Kanal hat abwechselnd geschlossene Abschnitte, wo die Länge der Spitze um einen zusätzlichen Betrag umgebogen ist, so dass die Länge der Spitze die angrenzende Rippe berührt und offene Abschnitte, wo die gebogene Spitze einen Abstand zur benachbarten Rippe hat. Vorzugsweise ist die gesamte offene Fläche der offenen Abschnitte zwischen 16.7% bis 22.5% der gesamten Oberfläche der andern Seite.
Fig. 1 zeigt eine Frontansicht eines gerippten Rohrs, und zeigt eine Anzahl von Rippen, die so geformt sind, dass sie die Blasen-Siede-Oberfläche nach der Erfindung bilden;
Fig 2. zeigt eine schematische Ansicht eines Kühlsystems in welchem ein Verdampfer mit Blasensiede- Oberflächen nach der Erfindung verwendet werden könnte;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauscher-Rohrs nach dem Stand der Technik und nach dem Patent US 4.765.058;
Fig. 3a ist eine vergrösserte Ansicht eines Teils der Oberfläche des Rohrs von Fig. 3;
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Hochleistungs-Verdampferrohrs zur Verwendung mit Hochdruck-Kühlmittel nach der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4a ist eine vergrösserte Ansicht eines Teils der Wärmeübertragungsfläche des Rohrs von Fig. 4;
Fig. 5 ist eine etwa 50-fache Vergrösserung eines Fragments der Wärmeübertragungsfläche des Rohrs von Fig. 4; und
Fig. 6 ist eine graphische Darstellung der Siedeleistung mit einem Hochdruck-Kühlmittel in einem Hochleistungs-Verdampfer-Rohr nach der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit einem verbesserten Rohr nach dem Stand der Technik.
Die Wärmetauscher-Oberfläche und das Rohr der vorliegenden Erfindung stellen eine besondere Weiterentwicklung desjenigen, vom Patent Zohler, US 4.765.058 dar. Dieses Rohr, das wie im zum Stand der Technik gehörenden Zohler- Patent hergestellt werden kann, indem zuerst eine äussere Windung von Rippen auf der äussern Oberfläche angeformt wird, indem eine rippenbildende Scheibe verwendet wird. Dann werden die Spitzen benachbarter Rippenwindungen über die anliegenden Rippen gebogen. Dadurch entsteht ein im wesentlichen geschlossener, länglicher Raum, der sich um die Aussenseite des Rohrs erstreckt und der im folgenden als Unter-Oberflächenkanal bezeichnet wird. Wenn andererseits die Rippen schraubenförmig sind, dann sind die Unter-Oberflächenkanäle schraubenförmig um das Äussere des Rohrs angeordnet.
Wie im Zohler Patent beschrieben, haben die Unter- Oberflächenkanäle abwechselnd geschlossene Abschnitte wo die Spitze so gebogen ist, dass die angrenzende Rippe berührt wird und offenen Abschnitten, wo die gebogene Spitze einen Abstand zur angrenzenden Rippe hat. Die offenen Abschnitte bilden abwechselnd Wieder- Eintrittsöffnungen, welche das Sieden einer Flüssigkeit fördern in welche das Rohr getaucht ist.
Es wurde entdeckt, dass Rohre, die nach dem Zohler '058 Patent hergestellt wurden und in gleichen Abständen eine grosse Zahl von sehr kleinen Oberflächenhohlräumen gleicher Grösse aufweisen, eine wesentlich verbesserte Wärmeübertragungs-Leistung zeigen, wenn sie mit einem Niederdruck-Kühlmittel wie R-11 verwendet werden. Die Verwendung der gleichen Rohre mit Höherdruck-Kühlmitteln wie z.B. R-22 erbrachten nicht die erwarteten, verbesserten Leistungen.
Nach der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass die Querschnittsfläche der einzelnen Hohlräume selbst kritisch ist, um eine wesentlich verbesserte Wärme-Übertragung zu erhalten, wenn sie mit Höherdruck-Kühlmitteln wie R-22 verwendet werden.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen, veranschaulicht Fig. 1 die Art und Weise, in der die Wärme-Übertragungs-Oberfläche der vorliegenden Erfindung auf das vorerst unbearbeitete Rohr gebracht wird. Diese Figur zeigt die fortschreitenden Stadien des Formens der Wärmeübertragungs-Oberfläche, die nach der Lehre des Zohler Patents '058 hergestellt werden kann. Die Vielzahl der in Abständen angeordneten Rippen 12 gehen vom Basisteil oder dem Rohr 10 aus und können in einem kontinuierlichen schraubenförmigen Muster, wie in der gezeigten Konfiguration, angeordnet sein. Die Rippen 12 könnten aus einem separaten Material hergestellt sein und auf der äussern Oberfläche des Rohrs 10 befestigt sein, oder könnten aus dem Rohr 10 gearbeitet sein und mit diesem ein Ganzes bilden. Bewegt man sich in Fig. 1 nach rechts, sind die Rippen 12 nach vorne gebogen, so dass die Spitzen 14 jeder Rippe 12 einem Abstand haben, aber nicht im Kontakt mit der nächsten Rippe sind. Die letzten drei Reihen von Rippen in Fig. 1 zeigen die Rippen nachdem sie entsprechend so bearbeitet wurden um abwechselnd geschlossene und offene Abschnitte zu bilden, die mit den Bezugszeichen 16 bzw. 18 bezeichnet sind.
Bevor die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform fortgesetzt wird, muss festgehalten werden, dass alle Zeichnungs-Figuren das Rohr, Oberfläche und Öffnungen in einer Weise wiedergeben, die nicht dem wirklichen Massstab entspricht. Viele der Merkmale der Erfindung sind "mikroskopisch". So wie der Ausdruck "mikroskopisch" hierin verwendet wird, bezieht sich dieser auf derart kleine oder feine Objekte, dass sie nicht klar erkannt werden können ohne Mikroskop. In einem besonderen Rohr nach der vorliegenden Erfindung erscheint die Oberfläche dem blossen Auge als schraubenförmige Spirale mit aufgerauhter Oberfläche. Die einzelnen geschlossenen und offenen Abschnitte aber können nicht leicht erkannt werden ohne die Hilfe eines Mikroskops. Da die wirkliche Querschnittsfläche der offenen Abschnitte kritisch ist für die Erfindung, wurde die Oberfläche und die Öffnungen in einer Art und Weise gezeigt, dass die Grösse dieser Öffnungen in Bezug auf den Stand der Technik gewürdigt werden kann. Die wirklichen Masse der "mikroskopischen", Merkmale sind zudem kritisch für die beanspruchte Erfindung und dementsprechend werden die Masse dieser Merkmale mit Bezugnahme auf die Zeichnungen in Einzelheiten wiedergegeben.
Zum Vergleich zeigt Fig. 3 ein Wärmetauscher-Rohr nach dem '058 Patent. Fig. 3A zeigt eine Vergrösserung der Oberfläche der Rohrs von Fig. 3.
Fig. 4 zeigt ein Wärmetauscher-Rohr nach der vorliegenden Erfindung, zur Verwendung mit Höherdruck-Kühlmitteln. Fig. 4A zeige eine Vergrösserung der Oberfläche von Fig. 4. Beim Rohr der Figuren 4 und 4A wurde jeder zweite geschlossene Abschnitt 16 (im Vergleich mit den Fig. 3 und 3A) weggelassen, was über den Umfang zu halb so vielen Öffnungen 18 führt, bei einem Rohr gleicher Grösse. Die Grösse der einzelnen Öffnungen ist, wie gezeigt werden wird wesentlich grösser als jede der bisherigen Rohre.
Anhand von Fig. 5, wird die Konstruktion eines Wärmetauscher-Rohrs nach dem '058 Patent beschrieben, welche eine Hochleistungs-Wärmetauscher-Oberfläche für die Verwendung mit R-11 zeigt. Darin werden die entsprechenden Abmessungen für ein Hochleistungs-Wärmetauscherrohr für die Verwendung mit Höherdruck-Kühlmitteln beschrieben. Die Abmessungen, auf die Bezug genommen wird, werden zuerst definiert und/oder beschrieben und werden in tabellarischer Form angegeben.
Aussendurchmesser: OD ist der Nenn-Durchmesser des Rohrs mit der darauf geformten Wärmetauscher-Oberfläche.
Aussenrippen pro 2.54 cm (1 Inch): Diese Zahl bedeutet die Zahl der Rippen wie jenen, die in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet wurden, die pro 2.54 cm (1 Inch Länge) Rohrlänge.
Nutentiefe: Mit Bezug auf Fig. 5 sind die Nuten als die geschlossenen Abschnitte der Wärmetauscher-Oberfläche definiert und die Nutenbreite wird durch das auf dem Umfang gemessene Mass "W" dargestellt.
Zahl der Nuten/Rippen/Umdrehung. Dies bedeutet die Zahl der oben beschriebenen Nuten pro Umdrehung um das Rohr und diese Zahl ist gezwungenermassen auch gleich der Zahl der offenen Abschnitte oder "Hohlräume" pro Windung der Rippe um das Rohr.
Hohlraumabmessungen: Diese Grössen "l" und "d" sind in Fig. 5 als die linearen Nennabmessungen einer einzelnen Hohlraumöffnung.
Hohlraumgrösse: Jeder einzelne Hohlraum hat die Form einer halben Ellipse. Wendet man die bekannten geometrischen Beziehungen für eine Ellipse an, wird die Querschnittfläche eines einzelnen Hohlraums am besten durch die folgende Gleichung angenähert:
Hohlraum-Querschnitt = ½ π("l"/2)(d)
R-11 Rohr nach der US-Patentschrift 4.765.056
Nenndurchmesser: 1.83 cm (.720 Inch)
Äussere Rippen/2.54 cm (1 Inch): 42.5
Nutenbreite: W = 0.028 cm (.011 Inch)
Zahl der Nuten/Rippen/Windung: 67
Hohraum-Abmessungen: d = 0.0114cm(.0045 Inch) l = 0.0757cm(.0298 Inch)
Aus dem obenstehenden kann die Nenn-Querschnittfläche eines Hohlraums für ein R-11 Rohr berechnet werden als ½π("l"/2)(d) = 0.00068 cm² (.000105 Quadratinch)
Hochleistungsrohr für Höherdruck-Kühlmittel
Nenndurchmesser: 1.83 cm (.720 Inch)
Äussere Rippen/2.54 cm (1 Inch): 42.5
Nutenbreite: W = 0.028 cm (.011 Inch)
Zahl der Nuten/Rippen/Windung: 34
Hohraum-Abmessungen: d = 0.0160cm(.0063 Inch) l = 0.1587cm(.062497 Inch)
Aus den obigen Werten ergibt sich eine Nenn- Querschnittfläche für einen Hohlraum eines Hochdruck- Kältemittel-Hochleistungsrohrs von 0.00199 cm² (.000309 Quadratinch).
Mit Bezug auf das obenstehende kann festgestellt werden, dass die Querschnittfläche einer einzelnen Hohlraum-Öffnung für ein Hochdruck-Hochleistungsrohr in der Grössenordnung von dreimal der Querschnittfläche einer solchen ist, die gute Ergebnisse mit Niederdruck R-11 Kühlmittel erbringt.
Um die Unterschiede zwischen den Hochdruck-Kühlmittel- Rohren nach der vorliegenden Erfindung und dem bisherigen Stand der Technik vollständiger zu definieren, wird ein Vergleich der Gesamtfläche der Hohlräume der in den obenstehenden Beispielen beschriebenen Rohre gemacht. Für ein festes Rohr mit einem Nenndurchmesser (d) von 1.83 cm (.720 Inch) kann eine zylindrische Referenzfläche pro Inch Rohrlänge mit A=πd=5.746 cm² (2.262 Quadratinch) berechnet werden. Wenn man diesen Wert als Referenz nimmt, kann die offene Fläche jedes Rohrs wiefolgt berechnet werden: Prozent offene Fläche offene Fläche/2.54 cm offene Fläche/pro Inch Prozent offene Fläche R-11 Rohr (67 Öffnungen/Rippe) (42.5Rippen/2.54cm) (42.5Rippen/Inch) Prozent offene Fläche R-22 Rohr (34 Öffnungen/Rippe) (42.5Rippen/2.54cm) (42.5Rippen/Inch)
Ein Vergleich der Prozente der offenen Fläche für die R-11 Rohre nach dem US Patent 4.765.058 mit jener für die R-22 Rohre nach der vorliegenden Erfindung zeigt, dass die gesamte offene Oberfläche der R-22 Rohre annähernd 50% höher ist.
Zu den Kühlmitteln, welche zur Gruppe der Hochdruck- Kühlmittel gehören, mit welchen, wie man glaubt, die vorliegende Erfindung wesentliche wesentlich erhöhte Leistungen bringt, umfassen neben anderen R-12, R-13, R-134a, R-152a, R-500, R-502 und R-503.
Eine nützliche Beziehung, welche hilft, den Begriff "Höherdruck-Kühlmittel" zu definieren, ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung die bekannte Gleichung von Clausius-Clapeyron: dp/dT = λ/TΔV
worin: P = Druck
T = Temperatur bei welcher die Phasenwandlung erfolgt
λ = latente Wärme bei der Phasenwandlung
ΔV = Volumenänderung bei der Phasenwandlung
Diese Gleichung ist die grundlegende Gleichung, welche die Beziehung der latenten Wärme der Phasenwandlung, zu den andern Parametern bestimmt. Der Ausdruck dp/dT kann einfach als die Steigung der Dampfdruck-Kurve definiert werden und kann leicht für verschiedene Kühlmittel mit Daten aus publizierten Kühlmittel-Tabellen und Diagrammen berechnet werden. Solche Daten sind z.B. in einer Anzahl von Publikationen der ASHRAE, der American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers erhältlich.
Der Wert der Ausdrucks dp/dT bei 4.5ºC (40ºF) für verschiedene Kühlmittel, die als Niederdruck Kühlmittel gelten, sind unten in Tabelle 1 aufgelistet. Ebenso ist dp/dT für eine Anzahl von Höherdruck-Kühlmittel, in Tabelle 2, dargestellt. Tabelle 1 dp/dT für Niederdruck-Kühlmittel Kühlmittel Tabelle 2 dp/dT für Höherdruch-Kühlmittel
Aus den obigen Tabellen wird klar, dass die Steigung der Dampf druckkurve für Höherdruck-Kühlmittel wesentlich grösser ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung umfasst der Ausdruck Höherdruck-Kühlmittel solche Kühlmittel, deren Steigung der Dampfdruckkurve grösser als etwa 0.023 bar/ºC (.60 psi/ºF) ist.
Man nimmt an, dass die wesentlich erhöhte Leistung mit Höherdruck-Kühlmitteln mit Hilfe von Rohren nach der vorliegenden Erfindung erreicht wird, bei denen die Querschnittfläche der einzelnen Hohlräume innerhalb des Bereichs von 0.00142 cm² bis 0.00284 cm² (.000220 Quadratinch bis .000440 Quadratinch) liegt und bei denen die Gesamtfläche der offenen Abschnitte 14% bis 28% der gesamten Oberfläche der aktiven Wärmetauscheroberfläche ist.
Weiter wurde für die Verwendung von R-22 gefunden, dass die Querschnittfläche der einzelnen Hohlräume innerhalb einem Bereich von 0.00172 cm² bis 0.00228 cm² (.000267 Quadratinch bis .000353 Quadratinch) und die Gesamtfläche der offenen Bereiche 16.7% bis 22.5% der Gesamtoberfläche der aktiven Wärmetauscherfläche sein sollte.
In Fig. 6, ist graphisch ein Vergleich des längenspezifischen Wärmetausch-Koeffizienten mit dem längenspezifischen Wärmefluss zwischen Rohr "R-22", welches einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht und Rohr "R-11", welches ein Rohr nach US-Patent 4.765.058 darstellt, dargestellt. Für diesen Vergleich wurden beide Rohre mit R-22 geprüft und wie aus dem Vergleich ersichtlich ist, erbringt das Hochleistungs-Verdampferrohr "R-22" nach der vorliegenden Erfindung eine Leistungsverbesserung von angenähert 20 bis 40% über dem längenspezifischen Wärmeübertragungskoeffizienten von "R- 11" Rohr bei der Verwendung mit R-22 Kühlmittel.
Fig. 2 veranschaulicht in einem Diagramm ein Standard- Kompressions-Kühlsystem mit einem Röhren-Verdampfer (20) in welchem die Wärmeübertragungsfläche nach der Erfindung verwendet werden könnte. Der Verdampfer 20 ist in einem Kühlkreis mit einem Kompressor 22, einem Kondensator 24 und einer Expansionsvorrichtung 26 eingebaut. Ein Kolben- oder Zentrifugal-Kompressor könnte verwendet werden, wobei zur Illustration ein Zentrifugal-Kompressor 22 gezeigt ist. Der Verdampfer 20 hat ein Gehäuse 21, Anschlüsse 23 und 25 und nahe beieinanderliegende Rohre 30 zum Führen von Flüssigkeit, die zwischen Eingangsanschluss 23 und Ausgangsanschluss 25 gekühlt werden muss. Wasser oder eine andere Flüssigkeit, welche gekühlt werden muss, fliesst vom Eingang 28 durch die Rohre 30 und wird durch den Ausfluss 32 wieder abgelassen. Kühlflüssigkeit vom Kondensator 24 wird im Gehäuse 21 expandiert, indem dieses aus dem Expansionsventil 26 strömt. Kühlmittel aus dem Kondensor 24 wird im Kessel 21 expandiert, wenn dieses aus dem Expansionsventil 26 fliesst. Das Kühlmittel, das in den Verdampfer 20 gelangt, ist ein Gemisch von Flüssigkeit und Dampf. Die Flüssigkeit verdampft wenn das Kühlmittel durch den Kessel 21 fliesst und Kontakt mit dem Aussenrohr 30 hat. Wärmeübertragung zum Kühlmittel erfolgt somit durch die kombinierte Art von erzwungener Konvektion und Blasensieden.
Während der genaue Mechanismus, der abläuft, bei der vorliegenden Erfindung, wenn die Hochleistungs- Siedeoberfläche für Kühlmittel mit Hochdruck-Kühlmittel verwendet wird, schwierig mit Sicherheit definiert werden kann, nimmt man an, dass der grosse Unterschied in der Dampfdichte zwischen Niederdruck-Kühlmitteln und Hochdruck- Kühlmitteln hilft zu erklären, dass die Öffnungen mit grösserer Querschnittfläche zu einer erhöhten Leistung mit Höherdruck-Kühlmitteln beitragen. Die Flüssigkeitsdichte von Hoch- und Niederdruck-Kühlmitteln wie z.B. R-22 und R-11 sind sehr ähnlich. Auf der andern Seite gibt es einen sehr grossen Unterschied zwischen der Dampfdichte dieser Kühlmittel, wobei Niederdruck-Kühlmittel ein extrem hohes Dampfvolumen pro 0.45 kg (1 pound) Kühlmittel haben. Demzufolge ergibt das gleiche Volumen Flüssigkeit für eine Niederdruck-Kühlmittel ein viel grösseres Dampf- oder Blasenvolumen, wenn beim Sieden der Dampf entsteht.
Nachstehend wird kurz zusammengefasst, was wahrscheinlich in den Unter-Oberflächenkanälen und den Wiedereintrittsöffnungen passiert in einer siedenden Wärmeübertragungs-Situation. Man nimmt an, dass das flüssige Kühlmittel durch eine günstige Druckdifferenz durch einige der Wiedereintrittsöffnungen in die Unter- Oberflächenkanäle eingeführt wird. Wenn das flüssige Kühlmittel sich auf zuwärmen beginnt, verdampft es am "Dünnfilm" Dampf-Flüssigkeit im Unteroberflächen-Kanal. Es bildet sich Dampf und dieser versucht durch andere Wiedereintritts-Öffnungen aus dem Unteroberflächenkanal auszutreten. Wenn die Blase austritt bildet sie im Hohlraum einen Bereich niedrigen Drucks, der umgekehrt Flüssigkeit nachsaugt, um nachzufüllen, was in Form einer Blase ausgetreten ist und dieser Vorgang wiederholt sich. Die Theorie sagt, dass der Mechanismus der Blasenbildung durch die Pumpaktion der austretenden Blasen unterstützt wird, welche Flüssigkeit in die Unter-Oberflächen-Kanäle saugt und die eintretende Flüssigkeit durch Kapillarkräfte innerhalb der Unter-Oberflächenkanäle verteilt wird und daraufhin Flüssigkeit verdampft um eine neue Generation von Blasen zu bilden.
Es ist aus der Theorie für Wärmeübertragung bei Dünn- Schichten bekannt, dass wenn die Wiedereintrittsöffnungen zu gross sind die Unteroberflächen-Volumen oder -Kanäle mit Kühlflüssigkeit gefüllt werden, und dass sich keine Blasen bilden werden. Der bei der vorliegenden Erfindung erkannte Unterschied ist der, dass für Niederdruck-Kühlmittel ein kleines Flüssigkeitsvolumen zu einer relativ grossen Blase führt und deshalb trotz entstehenden Impulskräften dazu beiträgt, den neutralen Pumpvorgang zu unterstützen, der für das Durchsetzen des Systems von Oberflächen-Hohlräumen und Unteroberflächen-Kanälen verantwortlich ist. Als Folge davon führen sehr kleine abwechselnd offene und geschlossene Bereiche zu einem extremen Hochleistungsrohr. Andererseits ergeben Höherdruck-Kühlmittel viel kleinere Blasen aus einem gleichen Volumen Kühlflüssigkeit und erzeugen im System eine niedrigere Pumpleistung. Deshalb braucht es eine grössere Wiedereintrittsöffnung oder einen grösseren Hohlraum und eine wesentlich erhöhte Leistung in einem Hochleistungs-Wärmetauscher-Rohr, wie es im US- Patent 4.765.058 beschrieben ist, mit Hochdruch-Kühlmitteln zu erzielen.

Claims

1. Ein Wärmetauscher mit einer Rohr (10) zu Führen eines relativ warmen Fluids das gekühlt werden soll, indem Wärme an eine siedende Flüssigkeit übertragen wird, welche das Rohr (19) umgibt,

schraubenförmigen Wärmetauscher-Rippen (12, welche der äussern Oberfläche angearbeitet und im wesentlichen koaxial mit dem Rohr (10) angeordnet sind,

wobei die schraubenförmigen Rippen (12) einen Basisteil aufweisen, der mit der äusseren Oberfläche des Rohrs (10) ein Ganzes bildet und die Rippen (12) sich von ihrem Basisteil nach aussen zu Spitzenteilen (14) erstrecken und

die Spitzenteile (14) gegen die nächstliegende Rippe (12) gebogen ist um zwischen zwei nebeneinanderliegenden Rippen (12) einen Unter- Oberflächenkanal zu bilden,

wobei der Unter-Oberflächenkanal abwechselnd geschlossene Bereich (16) bei dem ein Abschnitt des Spitzenteils (14) um einen zusätzlichen Betrag umgebogen ist, so dass das Teilstück des Spitzenteils (14) die benachbarte Rippe (12) berührt und offenen Bereichen (18), bei denen der umgebogene Abschnitt einen Abstand zur benachbarten Rippe (12) hat

dadurch gekennzeichnet, dass jeder dieser offenen Abschnitte (18) eine Querschnittfläche von 0.00142 cm² bis 0.00284 cm² (.000220 Quadratinch bis .000440 Quadratinch) hat,

und dass die gesamte offene Fläche der offenen Abschnitte (18) 14% bis 28% der gesamten äusseren Oberfläche des Rohrs (10) ist.

2. Wärmetauscher-Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Querschnittfläche der offenen Abschnitte (18) im Bereich von 0.00172 cm² bis 0.00228 cm² (.000267 Quadratinch bis .000353 Quadratinch) ist,

und die gesamte offene Fläche der offenen Abschnitte (18) 14% bis 28% der gesamten äusseren Oberfläche des Rohrs (10) ist.