EP0607839A1 - Wärmeaustauschrohr sowie Herstellungsverfahren und Verwendung desselben - Google Patents

Wärmeaustauschrohr sowie Herstellungsverfahren und Verwendung desselben Download PDF

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EP0607839A1
EP0607839A1 EP94100288A EP94100288A EP0607839A1 EP 0607839 A1 EP0607839 A1 EP 0607839A1 EP 94100288 A EP94100288 A EP 94100288A EP 94100288 A EP94100288 A EP 94100288A EP 0607839 A1 EP0607839 A1 EP 0607839A1
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EP
European Patent Office
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heat exchange
channels
tube
distribution channels
wall
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EP94100288A
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English (en)
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EP0607839B1 (de
Inventor
Klaus Dipl.-Ing. Menze
Gerhard Dr.-Ing. Schüz
Axel Dipl.-Ing. Kriegsman (Fh)
Manfred Dipl.-Ing. Knab
Manfred Dr.-Ing. Hage
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Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites

Definitions

  • the invention relates to a heat exchange wall according to the preamble of claim 1.
  • the heat exchange wall is, for example, a heat exchange tube for spray evaporation in a tube bundle heat exchanger (see Fig. 1).
  • spray evaporators the medium to be evaporated is applied or sprayed onto the pipes in the jacket space.
  • the advantage is that the free volume between the tubes does not have to be filled with liquid. In this way, the filling quantity of such apparatus can be minimized.
  • the type of spraying must ensure that the pipes are always adequately covered with liquid. In order to meet this requirement, these systems are operated with an excess of liquid which is up to a factor of 10 higher than the amount of liquid required for the evaporation process. However, the heat transfer coefficient of the evaporation is considerably reduced by the excess liquid. To compensate for this reduction, the tube bundle heat exchanger must be oversized.
  • the pump For the circulation of the quantities of liquid which are necessary for evaporation and for the excess liquid, the pump must be chosen to be large enough. This requires a high energy consumption of the pump, which is about a factor of 2 above the energy consumption than if only the amount of liquid required for evaporation has to be pumped.
  • Tubes are known from the area of absorption heat pumps, which have V-shaped grooves on the outside to improve the distribution of the liquid in the axial direction of the tube. Such tubes have been developed for use in expellers (brochure "F-tube” from Furukawa Electric Co., Ltd.).
  • the invention is based on the object of designing a heat exchange wall of the type mentioned in such a way that, in addition to good distribution of the liquid on its surface, good evaporation properties are simultaneously ensured.
  • the distribution channels run parallel to one another, in particular two groups of parallel distribution channels intersect at an angle ⁇ .
  • the distribution channels are spaced from one another - preferably the distance is a ⁇ 3 xt - or connect directly to each other.
  • the distribution channels have the task of distributing liquid that is dripped or sprayed on the outer surface and supplying it to the channels underneath.
  • the distribution channels can have corresponding openings in addition to the overflows.
  • the openings can have different shapes. So the openings can be hole-like, i.e. the flanks of the channels are pierced, while the ridges and the bottom of the channels pass through. On the other hand, the openings can be slit-like, i.e. the ridges run through and the bottom of the channel is broken, or conversely the ridges are broken and the bottom of the channel is continuous. According to a further embodiment, the openings are formed by narrow interruptions in the distribution channels. For certain applications, the simultaneous arrangement of different types of openings on a heat exchange wall can be advantageous.
  • the driving forces for the liquid distribution are the inertial forces, the capillary forces and (in the case of inclined or vertically oriented surfaces) gravity.
  • the crossed version the liquid is redistributed at each crossing point, so that the distribution effect is considerably better than with the parallel channels.
  • the heat exchange wall is designed as a heat exchange tube, the channels and the distribution channels on the outer surface of the heat exchange tube each running at an angle between 0 and 90 ° to the longitudinal axis of the tube.
  • the inner surface of the heat exchange tube is structured or finned.
  • helical circumferential channels are first produced in that the material of the channel walls is obtained by displacing material from the tube wall of a smooth tube to the outside by means of a rolling process (cf. the usual rolling method for producing finned tubes, for example according to US Pat. No. 3,327,512) , and then the distribution channels are produced by pressing in the channel walls by means of a rolling process with appropriately shaped toothed discs, pressure rollers or the like (cf. for example DE-OS 1.501.656).
  • a rolling process cf. the usual rolling method for producing finned tubes, for example according to US Pat. No. 3,327,512
  • the distribution channels are produced by pressing in the channel walls by means of a rolling process with appropriately shaped toothed discs, pressure rollers or the like (cf. for example DE-OS 1.501.656).
  • channels running in the axial direction or circumferentially in the form of a helix are first produced in the tube wall of a smooth tube by a drawing process with a stationary or rotating drawing die, and then the distribution channels are produced by pressing the channel walls in with a rolling process with appropriately shaped toothed disks, pressure rollers or the like will.
  • spiral channels are first produced in that the material of the channel walls is obtained by displacing material from the tube wall of a smooth tube to the outside by means of a rolling process and the distribution channels are then produced by a drawing process with a stationary or rotating drawing die.
  • axial or helical circumferential channels in the pipe wall of a smooth pipe are first produced by a drawing process with a stationary or rotating drawing die, and then the distribution channels are produced by a drawing process with a stationary or rotating drawing die.
  • the heat exchange wall according to the invention is preferably used for cooling electrical components.
  • the heat exchange tube according to the invention is preferably used for spray evaporation in a tube-bundle heat exchanger with horizontally or inclined heat exchange tubes.
  • a metallic heat exchange wall 1 according to FIGS. 2 to 5 has a first medium 2 on one side and a second medium 3 to be evaporated on the other side.
  • the wall 1 On this other side, the wall 1 has channels 4 (with channel walls 5) which are parallel to one another and whose dimensions of pitch t, height h and wall thickness s are also entered.
  • the channels 4 are crossed by distribution channels 6 for the second medium 3, which are formed by laterally displaced material of the channel walls 5.
  • the channels 6 are essentially V-shaped.
  • the depth of the channels 6 calculated from the upper edge of the channel walls 5 is denoted by T, the opening angle of which is denoted by ⁇ (here the V-shaped channels 6 are drawn with a tapering channel bottom. Normally, however, the channel bottom will be widened).
  • the channels 6 are provided with overflows 7 and / or openings 8.
  • the overflows 7 and / or openings 8 are designed differently (cf. in particular FIG. 7).
  • openings 8 are provided in addition to the overflows, since the displaced material of adjacent channel walls 5 does not touch; openings 8 form in the form of narrow gaps (gap width D).
  • This gap width D should not be more than about 20% of the pitch t so that the distribution effect of the channels 6 is not impaired.
  • the channels 6 are spaced from one another, so that when the second medium 3 evaporates, the steam (see arrow “steam”) can escape through the remaining intermediate spaces 9.
  • the distance a is calculated between the bottom of adjacent channels 6.
  • the openings 8 serve at the same time for the liquid to enter and the steam to escape (see arrows "liquid” and "steam").
  • FIG. 6 shows the surface condition of a heat exchange wall 1 according to the invention with intersecting distribution channels 6 (intersection angle ⁇ / intersection points K). To simplify the illustration of overflows 7 and openings 8 has been omitted. The remaining gaps 9 for the steam outlet are highlighted.
  • FIG. 7 shows various possibilities for the formation of the overflows 7 and openings 8 (cf. view according to section plane A - A through the channel bottom according to FIG. 2).
  • the openings 8 are hole-like, i.e. the flanks 10 of the channels 6 are pierced, whereby combs 11 and channel bottom 12 each pass through.
  • the combs 11 run through, but the channel base 12 is broken through, in the case of FIG. 7d to f indicate further embodiments of the openings 8.
  • the openings 8 are formed by narrow gaps (gap width D), since the material that is displaced from adjacent duct walls 5 does not touch.
  • FIG. 8 schematically shows a heat exchange tube 1 with channels 4 (or channel walls 5) and distribution channels 6 that run helically around the outer surface. The distance a between the channel base 12 of adjacent channels 6 is also entered. The channels 6 have been drawn in a simplified manner without overflows 7 or openings 8.
  • Particularly suitable materials for the heat exchange wall 1 are steel, aluminum and aluminum alloys, copper and copper alloys, stainless steels and titanium.
  • ammonia and safety refrigerants such as R22, R134a etc., are available as the medium 3 to be evaporated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschwand (1) zur Übertragung von Wärme von einem ersten Medium (2) auf einer Seite der Wand (1) auf ein zweites, zu verdampfendes Medium (3) auf der anderen Seite der Wand (1), wobei diese andere Seite mit integralen, fluchtenden Verteilungsrinnen (6) zur Verteilung der flüssigen Phase des zweiten Mediums (3) versehen ist. Gute Verteilung der Flüssigkeit auf der Oberfläche der Wärmeaustauschwand (1) und gleichzeitig gute Verdampfungseigenschaften werden erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gewährleistet: a) die Verteilungsrinnen (6) kreuzen sich mit darunterliegenden Kanälen (4) der Teilung t, b) die Verteilungsrinnen (6) sind von seitlich verdrängtem Material der Kanalwände (5) gebildet, wobei die Tiefe T der Verteilungsrinnen (6) etwa zwischen 30 und 90 % der Kanalhöhe h liegt, und c) die Verteilungsrinnen (6) stehen mit den Kanälen (4) durch Überläufe (7) und/oder Öffnungen (8) in den Verteilungsrinnen (6) in Verbindung. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmeaustauschwand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei der Wärmeaustauschwand handelt es sich beispielsweise um ein Wärmeaustauschrohr zur Sprühverdampfung in einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher (vgl. Fig.1). In Sprühverdampfern wird das zu verdampfende Medium im Mantelraum auf die Rohre aufgegeben bzw. aufgesprüht. Der Vorteil besteht darin, daß das freie Volumen zwischen den Rohren nicht mit Flüssigkeit aufgefüllt zu werden braucht. Hierdurch läßt sich die Füllmenge solcher Apparate minimieren. Durch die Art des Aufsprühens muß sichergestellt werden, daß die Rohre stets ausreichend mit Flüssigkeit bedeckt sind. Um diese Anforderung zu erfüllen, werden diese Anlagen mit einem Flüssigkeitsüberschuß betrieben, der bis um den Faktor 10 höher liegt als die zum Verdampfungsvorgang notwendige Flüssigkeitsmenge. Durch den Flüssigkeitsüberschuß wird allerdings der Wärmeübergangskoeffizient der Verdampfung erheblich reduziert. Zur Kompensation dieser Reduzierung muß der Rohrbündel-Wärmeaustauscher überdimensioniert werden. Für die Umwälzung der Flüssigkeitsmengen, die zur Verdampfung und für den Flüssigkeitsüberschuß notwendig sind, muß die Pumpe entsprechend groß gewählt werden. Dies bedingt einen hohen Energieverbrauch der Pumpe, der ca um den Faktor 2 über dem Energieverbrauch liegt, als wenn nur die zur Verdampfung benötigte Flüssigkeitsmenge gefördert werden muß.
  • Aus dem Bereich der Absorptionswärmepumpen sind Rohre bekannt, die V-förmige Rillen an der Außenseite zur Verbesserung der Verteilung der Flüssigkeit in axialer Richtung des Rohres aufweisen. Solche Rohre sind für den Einsatz in Austreibern entwickelt worden (Prospektblatt "F-tube" der Firma Furukawa Electric Co., Ltd.).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmeaustauschwand der genannten Art so auszubilden, daß neben guter Verteilung der Flüssigkeit auf deren Oberfläche gleichzeitig gute Verdampfungseigenschaften gewährleistet werden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:
    • a) die Verteilungsrinnen kreuzen sich mit darunterliegenden Kanälen der Teilung t,
    • b) die Verteilungsrinnen sind von seitlich verdrängtem Material der Kanalwände gebildet, wobei die Tiefe T der Verteilungsrinnen etwa zwischen 30 und 90 % der Kanalhöhe h liegt, und
    • c) die Verteilungsrinnen stehen mit den Kanälen durch Überläufe und/oder Öffnungen in den Verteilungsrinnen in Verbindung.
  • Es wurde festgestellt, daß mit der beschriebenen Ausführungsform der Oberfläche eine vollkommene Benetzung der Oberfläche schon mit sehr kleinen Flüssigkeitsmengen zu erzielen ist. In Verbindung mit den deutlich verbesserten Verdampfungseigenschaften können somit insbesondere in Rohrbündelwärmeaustauschern die verwendete Rohrzahl und die im Kreislauf notwendige Flüssigkeitsmenge minimiert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Gesamtanlage, in der der Rohrbündelwärmeaustauscher integriert ist, kleiner und kompakter gebaut werden kann.
  • Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Verteilungsrinnen parallel zueinander, insbesondere kreuzen sich zwei Gruppen paralleler Verteilungsrinnen unter einem Winkel β.
  • Nach alternativen Ausführungsformen sind die Verteilungsrinnen voneinander beabstandet - vorzugsweise beträgt der Abstand a ≦ 3 x t
    Figure imgb0001
     - oder schließen unmittelbar aneinander an.
  • Vorzugsweise sind die Verteilungsrinnen im wesentlichen V-förmig ausgebildet, wobei die Tiefe T = 0,3 bis 1,5 mm und der Öffnungswinkel α = 30 bis 90° beträgt. (Dabei wird die Tiefe T von der Oberkante der Kanalwände gemessen.)
  • Die Verteilungsrinnen haben die Aufgabe, Flüssigkeit, die aufgetropft oder aufgesprüht wird, auf der äußeren Oberfläche zu verteilen und den darunterliegenden Kanälen gezielt zuzuführen. Hierzu können die Verteilungsrinnen zusätzlich zu den Überläufen entsprechende Öffnungen aufweisen. Erfindungsgemäß können die Öffnungen in ihrer Form unterschiedlich ausgeführt werden. So können die Öffnungen lochartig ausgebildet sein, d.h. die Flanken der Rinnen sind durchbrochen, während jeweils die Kämme und der Rinnengrund durchlaufen. Andererseits können die Öffnungen schlitzartig ausgebildet sein, d.h. die Kämme laufen durch, und der Rinnengrund ist durchbrochen, oder umgekehrt sind die Kämme durchbrochen, und der Rinnengrund ist durchlaufend. Nach einer weiteren Ausführungsform werden die Öffnungen durch schmale Unterbrechungen der Verteilungsrinnen gebildet. Für bestimmte Anwendungsfälle kann die gleichzeitige Anordnung verschiedener Arten von Öffnungen auf einer Wärmeaustauschwand vorteilhaft sein.
  • Entscheidend ist, daß die Abmessungen der Öffnungen so gewählt werden, daß an jeder Öffnung nur ein Teil der Flüssigkeit die Rinne verläßt, der größte Teil jedoch entlang der Rinne weitergeleitet wird. Treibende Kräfte für die Flüssigkeitsverteilung sind die Trägheitskräfte, die Kapillarkräfte sowie (bei geneigten bzw. vertikal orientieren Flächen) die Schwerkraft. Bei der gekreuzten Ausführung wird an jedem Kreuzungspunkt die Flüssigkeit neu aufgeteilt, so daß die Verteilwirkung erheblich besser ist als bei den parallelen Rinnen.
  • Es empfiehlt sich, daß die parallelen Kanäle folgende Abmessungen aufweisen:
    Teilung t = 0,40 bis 1,5 mm,
    Höhe h = 0,5 x t bis 2 x t,
    Kanalwanddicke s = 0,2 x t bis 0,8 x t.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmeaustauschwand als Wärmeaustauschrohr ausgebildet, wobei die Kanäle und die Verteilungsrinnen auf der Außenoberfläche des Wärmeaustauschrohres jeweils unter einem Winkel zwischen 0 und 90°zur Rohrlängsachse verlaufen. Vorzugsweise laufen die Kanäle und Verteilungsrinnen schraubenlinienförmig um, insbesondere verlaufen die Verteilungsrinnen unter einem Steigungswinkel γ = 0 bis 60° bzw. 120 bis 180° zur Rohrlängsachse. Insbesondere zur weiteren Verbesserung der Verdampfungseigenschaften ist die Innenoberfläche des Wärmeaustauschrohres strukturiert bzw. berippt.
  • Es wird vorgeschlagen, das erfindungsgemäße Rohr nach folgenden Verfahren herzustellen:
    Nach einem ersten Vorschlag werden zuerst schraubenlinienförmig umlaufende Kanäle hergestellt, indem das Material der Kanalwände durch Verdrängen von Material aus der Rohrvandung eines Glattrohres nach außen mittels eines Walzvorgangs (vgl. das übliche Walzverfahren zur Rippenrohrherstellung beispielsweise nach der US-PS 3.327.512) gewonnen wird, und anschließend werden die Verteilungsrinnen hergestellt, indem die Kanalwände durch einen Walzvorgang mit entsprechend geformten Zahnscheiben, Drückrollen oder dgl. eingedrückt werden (vgl. beispielsweise DE-OS 1.501.656).
  • Nach einem zweiten Vorschlag werden zuerst in Axialrichtung verlaufende oder schraubenlinienförmig umlaufende Kanäle in der Rohrwandung eines Glattrohres durch einen Ziehvorgang mit ruhender oder rotierender Ziehmatrize hergestellt und anschließend werden die Verteilungsrinnen hergestellt, indem die Kanalwände durch einen Walzvorgang mit entsprechend geformten Zahnscheiben, Drückrollen oder dgl. eingedrückt werden.
  • Nach einem dritten Vorschlag werden zuerst schraubenlinienförmig umlaufende Kanäle hergestellt, indem das Material der Kanalwände durch Verdrängen von Material aus der Rohrwandung eines Glattrohres nach außen mittels eines Walzvorgangs gewonnen wird und anschließend werden die Verteilungsrinnen durch einen Ziehvorgang mit ruhender oder rotierender Ziehmatrize hergestellt.
  • Nach einem vierten Vorschlag werden zuerst in Axialrichtung verlaufende oder schraubenlinienförmig umlaufende Kanäle in der Rohrwandung eines Glattrohres durch einen Ziehvorgang mit ruhender oder rotierender Ziehmatrize hergestellt und anschließend werden die Verteilungsrinnen durch einen Ziehvorgang mit ruhender oder rotierender Ziehmatrize hergestellt.
  • Die erfindungsgemäße Wärmeaustauschwand wird vorzugsweise zur Kühlung von elektrischen Bauelementen verwendet.
  • Das erfindungsgemäße Wärmeaustauschrohr kommt vorzugsweise zur Sprühverdampfung in einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit waagerecht oder geneigt angeordneten Wärmeaustauschrohren zum Einsatz.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert:
  • Es zeigt
    • Fig. 2 eine erste erfindungsgemäße Wärmeaustauschwand mit parallel verlaufenden Verteilungsrinnen,
    • Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeaustauschwand mit parallelen Verteilungsrinnen,
    • Fig. 4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeaustauschwand mit parallelen Verteilungsrinnen,
    • Fig. 5 eine erfindungsgemäße Wärmeaustauschwand mit zwei sich kreuzenden Verteilungsrinnen,
    • Fig. 6 schematisch die Oberflächenbeschaffenheit einer erfindungsgemäßen Wärmeaustauschwand mit sich kreuzenden Verteilungsrinnen,
    • Fig. 7 unterschiedliche Ausführungsformen der Öffnungen in den Flanken der Verteilungsrinnen, und
    • Fig. 8 schematisch ein Wärmeaustauschrohr mit schraubenlinienförmig umlaufenden Kanälen und Verteilungsrinnen.
  • Eine metallische Wärmeaustauschwand 1 nach den Fig. 2 bis 5 weist auf einer Seite ein erstes Medium 2 und auf der anderen Seite ein zu verdampfendes, zweites Medium 3 auf. Die Wand 1 weist auf dieser anderen Seite zueinander parallele Kanäle 4 (mit Kanalwänden 5) auf, deren Abmessungen Teilung t, Höhe h und Wanddicke s ebenfalls eingetragen sind. Die Kanäle 4 werden von Verteilungsrinnen 6 für das zweite Medium 3 gekreuzt, die von seitlich verdrängtem Material der Kanalwände 5 gebildet sind. Die Rinnen 6 sind im wesentlichen V-förmig. Die von der Oberkante der Kanalwände 5 gerechnete Tiefe der Rinnen 6 ist mit T, deren Öffnungswinkel mit α bezeichnet (hier sind die V-förmigen Rinnen 6 mit spitz zulaufendem Rinnengrund gezeichnet. Im Normalfall wird der Rinnengrund jedoch verbreitert sein). Um das aufgetropfte bzw. aufgesprühte zweite Medium 3 in die Kanäle 4 verteilen zu können, sind die Rinnen 6 mit Überläufen 7 und/oder Öffnungen 8 versehen. Je nach Verformung der Kanalwände 5 sind die Überläufe 7 und/oder Öffnungen 8 unterschiedlich ausgebildet (vgl. insbesondere Fig.7).
  • Im Fall der Fig.2 und 5 sind lediglich Überläufe 7 vorhanden, das jeweils verdrängte Material benachbarter Kanalwände 5 berührt sich.
  • Im Fall der Fig.3 sind zusätzlich zu den Überläufen 7 Öffnungen 8 vorhanden, da sich das verdrängte Material benachbarter Kanalwände 5 nicht berührt; es bilden sich Öffnungen 8 in Form schmaler Spalte (Spaltbreite D) aus. Diese Spaltbreite D sollte nicht mehr als etwa 20 % der Teilung t betragen, damit die Verteilwirkung der Rinnen 6 nicht beeinträchtigt wird.
  • Im Fall der Fig. 4 haben sich schlitzartige Öffnungen 8 ausgebildet.
  • Im Fall der Fig. 2/3 sind die Rinnen 6 voneinander beabstandet, so daß beim Verdampfen des zweiten Mediums 3 der Dampf (s. Pfeil "Dampf") durch die verbleibenden Zwischenräume 9 austreten kann.
  • Der Abstand a wird jeweils zwischen dem Grund benachbarter Rinnen 6 gerechnet.
  • Im Fall der Fig.4, in dem die Rinnen 6 unmittelbar aneinander anschließen, dienen die Öffnungen 8 gleichzeitig zum Flüssigkeitseintritt und Dampfaustritt (s. Pfeile "Flüssigkeit" und "Dampf").
  • Fig.5 zeigt die Verhältnisse schematisch bei zwei sich kreuzenden Rinnen 6.
  • Fig.6 zeigt die Oberflächenbeschaffenheit einer erfindungsgemäßen Wärmeaustauschwand 1 mit sich kreuzenden Verteilungsrinnen 6 (Kreuzungswinkel β/Kreuzungspunkte K). Zur Vereinfachung wurde auf die Darstellung von Überläufen 7 und Öffnungen 8 verzichtet. Die verbleibenden Zwischenräume 9 für den Dampfaustritt sind punktiert hervorgehoben.
  • In Fig.7 sind verschiedene Möglichkeiten für die Ausbildung der Überläufe 7 und Öffnungen 8 angedeutet (vgl. Ansicht gemäß Schnittebene A - A durch den Rinnengrund nach Fig.2). Gemäß Fig.7a sind die Öffnungen 8 lochartig, d.h. die Flanken 10 der Rinnen 6 sind durchbrochen, wobei jeweils Kämme 11 und Rinnengrund 12 durchlaufen. Gemäß Fig.7b laufen die Kämme 11 durch, jedoch ist der Rinnengrund 12 durchbrochen, im Fall der Fig.7c ist es umgekehrt. Fig.7d bis f deuten weitere Ausführungsformen der Öffnungen 8 an. Hier sind die Öffnungen 8 von schmalen Spalten (Spaltbreite D) gebildet, da sich das jeweils verdrängte Material benachbarter Kanalwände 5 nicht berührt.
  • Fig.8 zeigt schematisch ein Wärmeaustauschrohr 1 mit auf der Außenoberfläche schraubenlinienförmig umlaufenden Kanälen 4 (bzw. Kanalwänden 5) und Verteilungsrinnen 6. Der Steigungswinkel der Verteilungsrinnen 6 zur Rohrlängsachse ist mit γ bezeichnet. Der Abstand a jeweils zwischen dem Rinnengrund 12 benachbarter Rinnen 6 ist ebenfalls eingetragen. Die Rinnen 6 wurden vereinfacht ohne Überläufe 7 bzw. Öffnungen 8 gezeichnet.
  • Als Werkstoffe für die Wärmeaustauschwand 1 kommen insbesondere Stahl, Aluminium und Aluminium-Legierungen, Kupfer und Kupfer-Legierungen, Edelstähle und Titan in Frage.
  • Als zu verdampfendes Medium 3 stehen insbesondere Ammoniak und Sicherheitskältemittel, wie beispielsweise R22, R134a usw. zur Verfügung.
  • Zahlenbeispiel:
    Es wurden strukturierte Wärmeaustauschrohre 1 aus Stahl mit folgenden Abmessungen hergestellt:
    Außendurchmesser des Rohres DR = 19 mm
    Teilung der Kanäle 4 t = 0,63 mm
    Höhe der Kanäle 4 h = 1,0 mm
    Dicke der Kanalwände 5 s = 0,25 mm
    kreuzweise verlaufende Verteilungsrinnen 6 mit einem Steigungswinkel γ = 30° (d. h. Kreuzungswinkel β = 120°)
    Tiefe der Rinnen 6 T = 0,5 mm
    Öffnungswinkel der Rinnen 6 α = 90°.
  • Bei Einsatz dieser Wärmeaustauscherrohre 1 in einem Rohrbündelwärmeaustauscher zur Sprühverdampfung von Ammoniak wurden hervorragende Ergebnisse erzielt.

Claims (24)

  1. Wärmeaustauschwand (1) zur Übertragung von Wärme von einem ersten Medium (2) auf einer Seite der Wand (1) auf ein zweites, zu verdampfendes Medium (3) auf der anderen Seite der Wand (1), wobei diese andere Seite mit integralen, fluchtenden Verteilungsrinnen (6) zur Verteilung der flüssigen Phase des zweiten Mediums (3) versehen ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) die Verteilungsrinnen (6) kreuzen sich mit darunterliegenden Kanälen (4) der Teilung t,
    b) die Verteilungsrinnen (6) sind von seitlich verdrängtem Material der Kanalwände (5) gebildet, wobei die Tiefe T der Verteilungsrinnen (6) etwa zwischen 30 und 90 % der Kanalhöhe h liegt, und
    c) die Verteilungsrinnen (6) stehen mit den Kanälen (4) durch Überläufe (7) und/oder Öffnungen (8) in den Verteilungsrinnen (6) in Verbindung.
  2. Wärmeaustauschwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsrinnen (6) parallel zueinander verlaufen.
  3. Wärmeaustauschwand nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwei Gruppen paralleler Verteilungsrinnen (6) unter einem Winkel β kreuzen.
  4. Wärmeaustauschwand nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsrinnen (6) voneinander beabstandet angeordnet sind.
  5. Wärmeaustauschwand nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Verteilungsrinnen (6) a ≦ 3 x t
    Figure imgb0002
     beträgt.
  6. Wärmeaustauschwand nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verteilungsrinnen (6) unmittelbar aneinander anschließen.
  7. Wärmeaustauschwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Verteilungsrinnen (6) im wesentlichen V-förmig ausgebildet sind, wobei die Tiefe T = 0,3 bis 1,5 mm und der Öffnungswinkel α = 30 bis 90° beträgt.
  8. Wärmeaustauschwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Öffnungen (8) lochartig ausgebildet sind.
  9. Wärmeaustauschwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Öffnungen (8) schlitzartig ausgebildet sind.
  10. Wärmeaustauschwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Öffnungen (8) von schmalen Unterbrechungen der Verteilungsrinnen (6) gebildet sind.
  11. Wärmeaustauschwand nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
    daß auf einer Wärmeaustauschwand (1) gleichzeitig verschiedene Arten von Öffnungen (8) angeordnet sind.
  12. Wärmeaustauschwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
    daß die parallelen Kanäle (4) folgende Abmessungen aufweisen: Teilung t = 0,40 bis 1,5 mm, Höhe h = 0,5 x t bis 2 x t, Kanalwanddicke s = 0,2 x t bis 0,8 x t.
  13. Wärmeaustauschwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
    daß sie als Wärmeaustauschrohr ausgebildet ist, wobei die Kanäle (4) und die Verteilungsrinnen (6) auf der Außenoberfläche des Wärmeaustauschrohres jeweils unter einem Winkel zwischen 0 und 90° zur Rohrlängsachse verlaufen.
  14. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (4) und Verteilungsrinnen (6) jeweils schraubenlinienförmig umlaufen.
  15. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilungsrinnen (6) unter einem Steigungswinkel γ = 0 bis 60° bzw. 120 bis 180° zur Rohrlängsachse verlaufen.
  16. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Innenoberfläche des Wärmeaustauschrohres strukturiert oder berippt ist.
  17. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
    daß zuerst schraubenlinienförmig umlaufende Kanäle (4) hergestellt werden, indem das Material der Kanalwände (5) durch Verdrängen von Material aus der Rohrwandung eines Glattrohres nach außen mittels eines Walzvorgangs gewonnen wird,
    und daß anschließend die Verteilungsrinnen (6) hergestellt werden, indem die Kanalwände (5) durch einen Walzvorgang mit entsprechend geformten Zahnscheiben, Drückrollen oder dgl. eingedrückt werden.
  18. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
    daß zuerst in Axialrichtung verlaufende oder schraubenlinienförmig umlaufende Kanäle (4) in der Rohrwandung eines Glattrohres durch einen Ziehvorgang mit ruhender oder rotierender Ziehmatrize hergestellt und anschließend die Verteilungsrinnen (6) hergestellt werden, indem die Kanalwände (5) durch einen Walzvorgang mit entsprechend geformten Zahnscheiben, Drückrollen oder dgl. eingedrückt werden.
  19. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
    daß zuerst schraubenlinienförmig umlaufende Kanäle (4) hergestellt werden, indem das Material der Kanalwände (5) durch Verdrängen von Material aus der Rohrwandung eines Glattrohres nach außen mittels eines Walzvorgangs gewonnen wird, und daß anschließend die Verteilungsrinnen (6) durch einen Ziehvorgang mit ruhender oder rotierender Ziehmatrize hergestellt werden.
  20. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet,
    daß zuerst in Axialrichtung verlaufende oder schraubenlinienförmig umlaufende Kanäle (4) in der Rohrwandung eines Glattrohres durch einen Ziehvorgang mit ruhender oder rotierender Ziehmatrize hergestellt werden und daß anschließend die Verteilungsrinnen (6) durch einen Ziehvorgang mit ruhender oder rotierender Ziehmatrize hergestellt werden.
  21. Verwendung einer Wärmeaustauschwand nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12 zur Kühlung von elektrischen Bauelementen.
  22. Verwendung eines Wärmeaustauschrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16 zur Sprühverdampfung in einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher.
  23. Verwendung eines Wärmeaustauschrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16 in einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit waagerecht angeordneten Wärmeaustauschrohren für den Zweck nach Anspruch 22.
  24. Verwendung eines Wärmeaustauschrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 13 bis 16 in einem Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit geneigt angeordneten Wärmeaustauschrohren für den Zweck nach Anspruch 22.
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