DE69401731T2

DE69401731T2 - Wärmetauscherrohr

Info

Publication number: DE69401731T2
Application number: DE69401731T
Authority: DE
Inventors: Robert H L Chiang; Daniel Gaffaney; Neelkanth Shridhar Gupte; Xin Liu; Steven J Spencer
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1993-09-13
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2014-08-26
Also published as: JP2721309B2; KR950009214A; US5333682A; EP0644392A1; EP0644392B1; DE69401731D1; JPH07151480A; CN1100517A; ES2098893T3; KR0143730B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Wärmetauscherrohre. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die äußere Oberflächenkonfiguration eines Wärmetauscherrohres, das zum Verdampfen einer Flüssigkeit benutzt wird, in welcher das Rohr untergetaucht ist.
Viele Arten von Klima- und Kälteanlagen enthalten Röhrenwärmetauscher. Ein Röhrenwärmetauscher ist ein Wärmetauscher, in welchem eine Vielzahl von Rohren innerhalb eines einzelnen Mantels enthalten ist. Die Rohre sind üblicherweise so angeordnet, daß sie mehrere parallele Strömungswege in dem Wärmetauscher für ein zu kühlendes Fluid bilden. Die Rohre sind in ein Kältemittel eingetaucht, das durch den Wärmetauschermantel strömt. Das Fluid wird durch Wärmeübertragung durch die Wände der Rohre gekühlt. Die übertragene Wärme führt zum Verdampfen des Kältemittels, das mit der äußeren Oberfläche der Rohre in Kontakt ist. Das Wärmeübertragungsvermögen eines solchen Verdampfers wird weitgehend durch die Wärmeübertragungseigenschaften der einzelnen Rohre bestimmt. Die äußere Konfiguration eines einzelnen Rohres ist für die Festlegung seiner gesamten Wärmeübertragungseigenschaften wichtig.
Es gibt mehrere bekannte Methoden zum Verbessern der Wärmeübertragungsleistung eines Wärmetauscherrohres. Dazu gehören (1) das Vergrößern des Wärmeübertragungsflächeninhalts der Rohroberfläche und (2) das Fördern des Blasensiedens an der Oberfläche des Rohres, die mit dem siedenden Fluid in Kontakt ist. Bei dem Blasensiedeprozeß führt Wärme, die von der erhitzten Oberfläche übertragen wird, zum Verdampfen der Flüssigkeit, die mit der Oberfläche in Kontakt ist, und der Dampf bildet Blasen. Von der Oberfläche ausgehende Wärme führt zum Verdampfen der Flüssigkeit, die die Dampfblase umgibt, und die Blase nimmt an Größe zu. Wenn die Blasengröße ausreichend ist, wird die Oberflächenspannung überwunden, und die Blase wird von der Oberfläche losgerissen. Wenn die Blase die Oberfläche verläßt, tritt Flüssigkeit in den Raum ein, der durch die Blase verlassen worden ist, und Dampf, der in dem Raum verbleibt, hat eine Quelle zusätzlicher Flüssigkeit zum Verdampfen, um eine weitere Blase zu bilden. Das fortgesetzte Bilden von Blasen an der Oberfläche, das Lösen der Blasen von der Oberfläche und das Wiederbenetzen der Oberfläche zusammen mit dem konvektiven Effekt der Dampfblasen, die in der Flüssigkeit aufsteigen und sich mit dieser vermischen, führen zu einer verbesserten Wärmeübertragungsleistung der Wärmeübertragungsfläche.
Es ist auch gut bekannt, daß der Blasensiedeprozeß gesteigert werden kann, indem die Wärmeübertragungsfläche so ausgebildet wird, daß sie Nukleierungsstellen hat, die Orte für das Einschließen von Dampf bilden und die Bildung von Dampfblasen fördern. Zum Beispiel lassen sich durch einfaches Aufrauhen einer Wärmeübertragungsoberfläche Nukleierungsstellen schaffen, die die Wärmeübertragungseigenschaften der Oberfläche gegenüber einer ansonsten ähnlichen glatten Oberfläche verbessern können.
In siedenden flüssigen Kältemitteln, z.B. in dem Verdampfer einer Klima- oder Kälteanlage, erzeugen Nukleierungsstellen des Wiedereintrittstyps Blasensäulen und gute Oberflächenwärmeübertragungseigenschaften. Eine Nukleierungsstelle des Wiedereintrittstyps ist ein Oberflächenhohlraum, in welchem die Öffnung des Hohlraums kleiner als die Breite des unter der Oberfläche gelegenen Hohlraums ist. Ein übermäßiges Einströmen der umgebenden Flüssigkeit kann eine Nukleierungsstelle des Wiedereintrittstyps fluten und sie inaktivieren. Durch Konfigurieren der Wärmeübertragungsoberfläche derart, daß sie relativ größere, miteinander in Verbindung stehende, unter der Oberfläche gelegene Kanäle mit relativ kleineren Öffnungen zu der Oberfläche hat, kann das Fluten der Dampfeinschluß- oder Nukleierungsstellen reduziert oder verhindert und die Wärmeübertragungsleistung der Oberfläche verbessert werden.
Ein Wärmetauscherrohr des Typs, wie er in dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 definiert ist, ist aus der US-A-5 054 548 bekannt. Das bekannte Wärmetauscherrohr hat eine umgebogene Rippenwindung, die einen unter der Oberfläche gelegenen Kanal zwischen benachbarten Rippen bildet. Der unter der Oberfläche gelegene Kanal hat abwechselnde geschlossene Abschnitte; wo der Rippenspitzenteil in einem zusätzlichen Ausmaß umgebogen ist, damit er eine benachbarte Rippe berührt, und offene Abschnitte, wo der umgebogene Spitzenteil von der benachbarten Rippe beabstandet ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wärmeübertragungsrohr zu schaffen, das eine äußere Oberfläche hat, die so ausgebildet ist, daß eine verbesserte Wärmeübertragungsleistung sowohl durch Vergrößern des Flächeninhalts der äußeren Rohroberfläche als auch durch Schaffung von Wiedereintrittshohlräumen als Nukleierungsstellen zum Fördern von Blasensieden geschaffen wird.
Die Erfindung schafft demgemäß ein Wärmetauscherrohr zum Übertragen von Wärme zwischen einem Fluid, das durch das Innere des Rohres strömt, und einem siedenden Fluid, das mit der äußeren Oberfläche des Rohres in Kontakt ist, mit wenigstens einer Rippenwindung, die an der äußeren Oberfläche gebildet ist, wobei sich die Rippenwindung schraubenförmig längs der Längsachse des Rohres und radial von der äußeren Oberfläche aus erstreckt und einen Fuß hat, der mit der äußeren Oberfläche verbunden ist, einen Körper, der sich von dem Fuß nach außen erstreckt und zwei entgegengesetzte Schultern hat sowie eine distale Spitze, die sich von dem Körper aus erstreckt, und einem als Nut ausgebildeten Teil der äußeren Oberfläche zwischen benachbarten Umgängen der Rippenwindung, wobei die distale Spitze so geneigt ist, daß die Spitze über einer benachbarten Nut liegt, um einen unter der Oberfläche gelegenen Kanal zu bilden, der eine Öffnung zwischen der distalen Spitze und einem benachbarten Umgang der Rippenwindung hat, gekennzeichnet durch Nuten in den Schultern und durch erhöhte Zähne, die sich in dem Nutteil von der äußeren Oberfläche aus erstrecken.
In einer Ausführungsform berührt eine Rippenwindung nicht ihren angrenzenden Nachbarn, sondern es verbleibt ein Spalt, um Blasen von verdampfter Flüssigkeit zu gestatten, aus der Rohroberfläche zu entweichen. In einer weiteren Ausführungsform führen Verschlußvertiefungen in Intervallen an dem Umfang des Rohres dazu, daß sich benachbarte Rippenwindungen in dem Bereich der Verschlußvertiefungen berühren.
Die Konfiguration der äußeren Rohroberfläche vergrößert somit den Flächeninhalt der für das Fluid, das mit der Oberfläche in Kontakt ist, freiliegenden Oberfläche. Außerdem schafft die Konfiguration Wiedereintrittshohlräume, die das Blasensieden fördern. Diese beiden Merkmale des Rohres dienen zum Steigern der Wärmeübertragungsleistung des Rohres.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die beigefügten Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung. In den Zeichnungen tragen gleiche Elemente gleiche Bezugszahlen.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils der äußeren Oberfläche des Wärmetauscherrohres nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht eines Teils der äußeren Oberfläche des Wärmetauscherrohres nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht nach der Linie 3-3 in Fig. 4, die die äußere Oberfläche des Wärmetauscherrohres nach der vorliegenden Erfindung in einer Zwischenphase der Herstellung zeigt.
Fig. 4 ist eine Teilschnittansicht nach der Linie 4-4 in Fig. 3, die die äußere Oberfläche des Wärmetauscherrohres nach der vorliegenden Erfindung in einer Zwischenphase der Herstellung zeigt.
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht des Wärmetauscherrohres nach der vorliegenden Erfindung, die die aufeinanderfolgenden Schritte zeigt, durch welche das Rohr hergestellt wird.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teil der äußeren Oberfläche eines Wärmetauscherrohres 10, das gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist. Rippenwindungen 21 erstrecken sich schraubenförmig längs der Längsachse des Rohres 10 und von der äußeren Oberfläche 12 einer Wand 11 des Rohres 10 radial nach außen. Zwischen benachbarten Rippenwindungen befindet sich jeweils eine Nut 31. An dem Rohr kann eine Rippenwindung oder können mehrere Rippenwindungen vorhanden sein. Das normale Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres dieses Typs besteht darin, die Rohrwand zwischen einem inneren Dorn und einem oder mehreren äußeren Rippenfertigungswerkzeugen zu walzen. Wenn dieses Verfahren benutzt wird, bestimmen die Anzahl und die Einstellung der äußeren Rippenfertigungswerkzeuge die Anzahl der Rippenwindungen.
Die Rippenwindung 21 weist einen Fuß 22 auf, der mit der äußeren Oberfläche 12 verbunden ist, einen Körper 23 und eine Spitze 24. Die äußeren Oberflächen des Körpers 23 sind Schultern 25. Jede Rippenwindung ist vorn übergeneigt, so daß sie einer benachbarten Nut 31 überlagert ist und so einen unter der Oberfläche gelegenen Kanal bildet. Es sind Kerben 41 in Intervallen längs der Schultern 25 gebildet. Wenn diese Kerben durch ein Kerbwerkzeug während des Herstellungsprozesses gebildet werden, kann das Kerbwerkzeug Material aus dem Körper 23 verlagern. Dieses verlagerte Material wird Vorsprünge 42 bilden, die sich von den Schultern 25 aus in demjenigen Teil der Kerben 41 nach außen erstrecken, welcher dem Fuß 22 am nächsten ist. In der Nut 31 und von der äußeren Oberfläche 12 aus erstrecken sich mehrere Zähne 32. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Verschlußvertiefungen 51 in Intervallen an dem Umfang des Rohres vorhanden.
Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht eines Teils der äußeren Oberfläche des Wärmetauscherrohres nach der vorliegenden Erfindung. In dieser Ansicht ist eine Anzahl von Rippenwindungen 21 zu erkennen, die sich von der äußeren Oberfläche 22 des Rohres 10 aus erstrecken. Über dem größten Teil der äußeren Oberfläche ist die Spitze 24 von einer Rippenwindung geneigt, so daß sie ihren angrenzenden Nachbarn nicht berührt. Es ist somit ein Öffnungsspalt vorhanden, der eine Spaltbreite G zwischen der Spitze 24 und der benachbarten Rippenwindung hat. In Bereichen der Verschlußvertiefungen 51 (Fig. 1) berührt eine Spitze 24' ihren Nachbar beinahe oder nicht, so daß ein sehr kleiner oder kein Spalt verbleibt.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Einzelheiten der Konfiguration der Rippenwindung. Es sei beachtet, daß diese Figuren das Rohr 10 auf einer Zwischenstufe der Herstellung zeigen, bevor die Rippenwindungen 21 umgebogen werden. In der Nut 31 zwischen benachbarten Rippenwindungen 21 sind Zähne 32 angeordnet, die sich bis in eine Höhe Ht über die Oberfläche 12 erstrecken. Es sind Schulterkerben 41 in Intervallen an beiden Schultern 25 der Rippenwindung 21 vorhanden. Eine Kerbe erstreckt sich in eine Rippenwindung bis in eine Tiefe Tn. Material, das bei dem Herstellen der Schulterkerbe während der Herstellung verlagert wird, steht von der Schulter 25 an dem Ende der Kerbe 41 vor, das dem Rippenfuß 22 am nächsten ist. Das Vorhandensein der Kerbe und des Kerbenvorsprunges vergrößert den Inhalt der äußeren Oberfläche des Rohres 10 und hilft, das Blasensieden zu fördern. Fig. 3 zeigt, daß die Schulterkerben 41 und die Zähne 32 miteinander ausgerichtet sind, aber das kann oder kann nicht der Fall sein, insbesondere, wenn diese Merkmale an dem Rohr auf unterschiedlichen Stufen des Fertigungsprozesses plaziert werden.
Fig. 5 zeigt schematisch, wie das Wärmetauscherrohr nach der vorliegenden Erfindung auf verschiedenen Stufen seiner Herstellung durch einen Walzprozeß erscheint, und hilft bei dem Verständnis der Konfiguration des Rohres. Die Figur zeigt einen Abschnitt des Rohres 10, der in sechs Gebiete unterteilt ist, von denen jedes mit einem Buchstaben bezeichnet ist. Das Gebiet A zeigt das Rohr vor jeder Bearbeitung. Der erste Schritt bei der Herstellung des Rohres besteht darin, Rippenwindungen 21 in die Wand 11 zu walzen, so daß eine Nut 31 jeweils zwischen benachbarten Rippenwindungen verbleibt. Das Rohr erscheint dann wie in dem Gebiet B. In einem zweiten Schritt werden die Zähne 32 in der Nut 31 gebildet (Gebiet C). Drittens werden die Schulterkerben 41 und die Vorsprünge 42 in den Rippenwindungen 21 gebildet (Gebiet D). Die Rippenwindung 21 wird umgewalzt, so daß sie über der Nut 31 zu liegen kommt, die benachbarte Windung aber nicht berührt (Gebiet E). Schließlich können in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie in dem Gebiet F gezeigt ist, die Verschlußvertiefungen 51 in Intervallen an dem Umfang des Rohres 10 gewalzt werden, was zur Folge hat, daß der Spalt zwischen benachbarten Rippen in der Nähe jeder Vertiefung 51 geschlossen wird.
Wir haben festgestellt, daß optimale Wärmeübertragungsleistung und Herstellbarkeit erzielt werden können, wenn bei dem Rohr nach der vorliegenden Erfindung gewisse geometrische und abmessungsmäßige Beziehungen eingehalten werden. Die optimale Rippensteigung ist 0,36 bis 0,64 mm (0.014 bis 0.025 Zoll). G, die Breite des Spalts zwischen einer Rippenwindung und ihrem Nachbarn, sollte zwischen 0,025 und 0,203 mm (0.001-0.008 Zoll) liegen. Ht, die Höhe der Zähne in der Nut, sollte zwischen 0,051 und 0,178 mm (0.002 und 0.007 Zoll) betragen. Es sollten zwischen 25 und 250 Zähne pro Windungsumgang vorhanden sein. Dn, die maximale Tiefe der Kerben in den Rippenwindungsschultern, sollte etwa 0,051 mm (0.002 Zoll) betragen. Und es sollten etwa 25 bis 250 Kerben pro Windungsumgang vorhanden sein. In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Verschlußvertiefungen hat, sollten zwischen 40 und 80 Vertiefungen pro Windungsumgang vorhanden sein.

Claims

1. Wärmetauscherrohr (10) zum Übertragen von Wärme zwischen einem Fluid, das durch das Innere des Rohres strömt, und einem siedenden Fluid, das mit der äußeren Oberfläche (12) des Rohres in Kontakt ist, mit

wenigstens einer Rippenwindung (21), die an der äußeren Oberfläche gebildet ist,

wobei sich die Rippenwindung schraubenförmig längs der Längsachse des Rohres und radial von der äußeren Oberfläche aus erstreckt und

einen Fuß (22) hat, der mit der äußeren Oberfläche verbunden ist,

einen Körper (23) , der sich von dem Fuß nach außen erstreckt und zwei entgegengesetzte Schultern (25) hat sowie eine distale Spitze (24), die sich von dem Körper aus erstreckt, und

einem als Nut (31) ausgebildeten Teil der äußeren Oberfläche zwischen benachbarten Umgängen der Rippenwindung,

wobei die distale Spitze so geneigt ist, daß die Spitze über einer benachbarten Nut liegt, um einen unter der Oberfläche gelegenen Kanal zu bilden, der eine Öffnung zwischen der distalen Spitze und einem benachbarten Umgang der Rippenwindung hat,

gekennzeichnet durch Nuten (41) in den Schultern und durch erhöhte Zähne (32), die sich in dem Nutteil von der äußeren Oberfläche aus erstrecken.

2. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, bei dem die Rippensteigung 0,36 bis 0,64 mm (0.014 bis 0.025 Zoll) beträgt.

3. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, bei dem der Öffnungsspalt (G) zwischen 0,025 und 0,203 mm (0.001 und 0.008 Zoll) beträgt.

4. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, bei dem sich die erhöhten Zähne zwischen 0,051 und 0,178 mm (0.002 und 0.007 Zoll) über die äußere Oberfläche erstrecken.

5. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, bei dem 25 bis 250 Zähne in der Nut pro Windungsumgang vorhanden sind.

6. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, weiter mit Vorsprüngen (42), die sich von den Schultern aus an jeder Kerbe erstrecken.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Kerben (41) eine maximale Tiefe von 0,051 mm (0.002 Zoll) haben.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem 25 bis 250 Kerben pro Windungsumgang vorhanden sind.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, weiter mit Verschlußvertiefungen (51) längs der Rippenwindung, wo die distale Spitze in einem Windungsumgang ausreichend geneigt ist, um in enger Nähe einer Schulter in einem benachbarten Windungsumgang zu sein.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, bei dem 40 bis 80 Verschlußvertiefungen pro Windungsumgang vorhanden sind.