EP0733871A1

EP0733871A1 - Austauscherrohr für einen Wärmeaustauscher

Info

Publication number: EP0733871A1
Application number: EP96103390A
Authority: EP
Inventors: Ulrich Naumann; Martin Schmidt
Original assignee: KM Europa Metal AG
Current assignee: KM Europa Metal AG
Priority date: 1995-03-21
Filing date: 1996-03-05
Publication date: 1996-09-25
Anticipated expiration: 2016-03-05
Also published as: PT733871E; DE19510124A1; GR3033193T3; DE59604338D1; DK0733871T3; US5682946A; ES2143102T3; ATE189518T1; EP0733871B1; JPH08327273A

Abstract

Das Austauscherrohr (1) weist eine glatte äußere Oberfläche (2) und eine strukturierte innere Oberfläche (3) auf. Die innere Oberfläche (3) ist aus in einem von 90° abweichenden Winkel zur Längsachse (6) des Austauscherrohrs (1) verlaufenden parallelen Rippen mit geneigten Flanken, von den Rippen seitlich begrenzten Kanälen und in den Rippen ausgeformten, ggf. im Abstand von den Kanalsohlen quer verlaufenden Mulden gebildet. Die Mulden sind durch eine im Längsschnitt sinusförmige Gestaltung der hinsichtlich ihrer Oberflächen mit einer Mikrorauhigkeit versehenen und kopfseitig gerundeten Rippen gestaltet. Die Mittellängsebenen der Mulden sind in einem von 90° abweichenden Winkel zur Längsachse (6) des Austauscherrohrs (1) angeordnet. Die einander gegenüberliegenden Flanken benachbarter Rippen sind durch gerundete Kanalsohlen verbunden. Die Mikrorauhigkeit der Rippenoberflächen wird durch Korundstrahlen oder Laserstrahlen erzeugt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Austauscherrohr für einen Wärmeaustauscher gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Austauscherrohr zählt durch die US-PS 53 32 034 zum Stand der Technik. Hierbei weisen sowohl die Rippen als auch die von den Rippen seitlich begrenzten Kanäle jeweils einen trapezförmigen Querschnitt auf. Das Querschnittsvolumen der Rippen ist etwa halb so groß wie das Querschnittsvolumen der Kanäle bemessen.
Die in den Rippen ausgeformten Mulden werden durch Walzen hergestellt. Hierbei wölbt sich das aus den Rippen verformte Material stirnseitig der Mulden in die Kanäle hinein. Die Böden der Mulden liegen im Abstand zu den Kanalsohlen.
Die Herstellung des bekannten Austauscherrohrs erfolgt dadurch, daß zunächst in einem zweistufigen Walzprozeß die Struktur der späteren inneren Oberfläche einseitig an einem Metallband erzeugt, anschließend das Metallband zu einem Schlitzrohr mit innenliegender Oberflächenstruktur umgeformt wird und danach die Schlitzkanten verschweißt werden.
Das zweistufige Walzen der inneren Oberflächenstruktur führt zu einem hohen Fertigungsaufwand. Es sind mehrere Walzprägewerkzeuge erforderlich, welche die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigen. Die Mulden der Rippen entstehen durch Überwalzen eines zunächst vorhandenen Volumenanteils der im ersten Walzschritt ausgeprägten Rippen. Dieser ehemalige Volumenanteil der Rippen wird nur in die unmittelbare Nachbarschaft verteilt. Eine nennenswerte Verringerung des Metergewichts kann aber nicht erreicht werden.
Ferner kann es aufgrund der Ebenflächigkeit der Kopfseiten und der Flanken der Rippen im praktischen Einsatz zur Bildung von schwer aufreißbaren, die Kondensation verzögernden Kondensatfilmen kommen, so daß sich Sperrschichten mit wärmeisolierenden Eigenschaften bilden. Für die Verdampfung stehen nur wenige Kanten als Dampfblasenkeime zur Verfügung.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Austauscherrohr mit einer inneren Oberflächenstruktur zu schaffen, bei welcher sich einerseits die Vorteile einer gleichermaßen guten Verdampfungs- bzw. Kondensationsleistung bei reduziertem Rippengewicht verbinden und andererseits zur Herstellung des Austauscherrohrs ein einstufiges Prägeverfahren angewendet werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.
Kern der Erfindung bildet eine solche innere grobe Oberflächenstruktur, die nur gerundete Übergänge aufweist und scharfe Kanten vermeidet. Folglich kann in besonders vorteilhafter Weise die grobe Oberflächenstruktur durch Walzprägen in einer einzigen Stufe erzeugt werden. Der apparatetechnische Aufwand wird dadurch erheblich gesenkt.
Ferner ist es jetzt hinsichtlich der Intensivierung des Wärmeübergangs zwischen dem in dem Austauscherrohr strömenden Fluid und der groben Oberflächenstruktur von Vorteil, daß die Oberflächen der Rippen bis hin zu den Kanalsohlen zusätzlich mit einer gezielten Mikrorauhigkeit versehen werden. Dies macht sich insbesondere bei der Kondensation und Verdampfung von Kältemitteln bemerkbar, wenn das Austauscherrohr in einen entsprechenden Wärmeaustauscher eingegliedert wird. Das Querschnittsvolumen der Rippen ist zugunsten der Erhöhung der Rippenanzahl verringert worden. Hierdurch ist es möglich, die wärmeaustauschende Oberflächenstruktur zu vergrößern und somit den Wärmeübergang zu verbessern. Auch können in diesem Zusammenhang sehr schlanke Rippen und damit schmale Kanäle erzeugt werden. Die kopfseitig gerundeten Rippen haben insbesondere den Vorteil, daß beim Einziehen eines Austauscherrohrs in Lamellen eines Wärmeaustauschers, insbesondere durch Aufweiten mittels eines durch das Austauscherrohr bewegten Werkzeugs, die Kopfpartien der Rippen nur unwesentlich abgeplattet werden, so daß hiermit auch der Bildung von schwer aufreißbaren Kondensatfilmen wirksam entgegengetreten wird. Dennoch kann durch die Mikrorauhigkeit aufgrund der großen Rippenoberflächen die für eine effektive Verdampfung vorteilhafte große Anzahl von Vorsprüngen, Kanten, Spitzen und Vertiefungen als Dampfblasenkeime bereitgestellt werden, ohne daß hierfür größere Materialmengen erforderlich sind.
Auch die Oberflächen der Lamellen können bei Bedarf mit einer Grobstruktur entsprechend der Innenstruktur der Austauscherrohre und/oder mit einer Mikrorauhigkeit versehen werden.
Die Anwendung der Erfindung erfolgt bei Austauscherrohren aus Metall, insbesondere aber aus Kupfer oder Kupferlegierungen. Derartige Austauscherrohre können z.B. einen runden oder ovalen Querschnitt besitzen. Runde Austauscherrohre weisen bevorzugt einen Außendurchmesser von etwa 6 mm bis 20 mm auf.
Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß vorstellbar, daß die Mittellängsebenen der Mulden zwar parallel zueinander, jedoch in Längsrichtung der Rippen zueinander versetzt verlaufen.
Die Ausführungsform gemäß Anspruch 2 sieht demgegenüber vor, daß die Mittellängsebenen der Mulden benachbarter Rippen fluchtend verlaufen.
Die Mikrorauhigkeit der Rippenoberflächen kann auf verschiedene Art und Weise verwirklicht werden. So ist beispielsweise eine diffuse Aufrauhung durch gestrahlten Korund denkbar. Vorstellbar ist ferner eine Kerbung der Rippenoberflächen in Form von linienförmigen Mikrorillen (Anspruch 3). Diese Mikrorillen erstrecken sich dann bevorzugt parallel zueinander. Ihre Längsrichtung weicht jedoch von der Längsrichtung der Rippen ab.
Die Mikrorauhigkeit kann darüberhinaus entsprechend Anspruch 4 durch sich kreuzförmig schneidende, von der Längsrichtung der Rippen abweichende Mikrorillen gebildet sein.
Statt durchgehender Mikrorillen können aber auch punktuelle Vertiefungen vorgesehen werden. Diese können ebenfalls linienförmig oder kreuzförmig im Abstand hintereinander angeordnet sein.
Auch die Erzeugung der Mikrorauhigkeit kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen. Eine bevorzugte Variante wird hierbei in den Merkmalen des Anspruchs 5 gesehen. Hier wird die Mikrorauhigkeit der Rippenoberflächen durch eine Bestrahlung mit Hartpartikeln, wie z.B. Korund, oder durch eine Texturierung mittels Laserstrahlen hergestellt. Dabei ist es möglich, entweder das bereits mit der Oberflächenstruktur versehene Ausgangsmaterial (Blechband) entsprechend zu bearbeiten oder eine Prägewalze selber mit der gewünschten negativen Mikrorauhigkeit zu versehen.
Auch eine Profilgebung der Prägewalze durch Funkenerodieren ist möglich.
Interne Untersuchungen haben ergeben, daß es zur Erzielung einer gleichermaßen guten Kondensations- und Verdampfungsleistung entsprechend Anspruch 6 vorteilhaft ist, wenn die Tiefe der Mikrorauhigkeit 0,075 mm oder geringer bemessen wird.
Nach Anspruch 7 kann der Flankenwinkel der Rippen 5° bis 60°, vorzugsweise jedoch 10° bis 40°, betragen. Auf diese Weise ist eine sehr schlanke Rippenkontur herstellbar.
Der Verlauf der Rippen relativ zur Längsachse des Austauscherrohrs erfolgt gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 unter einem Winkel von 1° bis 89°, vorzugsweise 20° bis 55°.
Ferner ist es im Rahmen der Erfindung sinnvoll, wenn nach Anspruch 9 der zwischen der Längsrichtung der Rippen und den Mittellängsebenen der Mulden eingeschlossene Winkel 90° und kleiner bemessen ist.
Gemäß Anspruch 10 ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zweier benachbarter Rippen 0,10 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise 0,26 mm bis 0,6 mm, beträgt.
Die Höhe der Rippen wird je nach Rohrdurchmesser entsprechend Anspruch 11 zweckmäßig zwischen 0,03 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,05 mm bis 0,35 mm, bemessen.
Desweiteren ist es nach der Erfindung von Vorteil, wenn nach Anspruch 12 der Abstand zweier benachbarter Mulden einer Rippe 0,2 mm bis 4,0 mm, vorzugsweise 0,3 mm bis 1,0 mm, beträgt.
Die Böden der Mulden und die Kanalsohlen müssen gemäß Anspruch 13 nicht auf einer Ebene liegen. Der minimale Abstand der Muldenböden von den Kanalsohlen sollte dann mindestens 0,01 mm betragen.
Entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 14 ist es aber auch denkbar, daß die Muldenböden und die Kanalsohlen in derselben Ebene liegen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: in der Perspektive einen Längenabschnitt eines Austauscherrohrs;
Figur 2: in der Draufsicht einen Längenabschnitt eines strukturierten Blechbands;
Figur 3: in der Perspektive den Ausschnitt III der Figur 2;
Figur 4: in vergrößerter Darstellung einen vertikalen Querschnitt entlang der Linie IV-IV der Figur 2;
Figur 5: einen vertikalen Längsschnitt entlang der Linie V-V der Figur 4 und die
Figuren 6 und 7: anhand von Diagrammen einen Leistungsvergleich an Wärmeaustauschern in Koaxialbauweise mit verschiedenen Rohrausführungen.

Mit 1 ist in der Figur 1 ein Längenabschnitt eines längsnahtgeschweißten Austauscherrohrs für einen ansonsten nicht näher dargestellten Wärmeaustauscher zur Kondensation und Verdampfung von Kältemitteln bezeichnet.
Das im Außen- und Innenquerschnitt kreisrunde Austauscherrohr 1 besitzt eine glatte äußere Oberfläche 2 und eine strukturierte innere Oberfläche 3. Zur Festlegung des Austauscherrohrs 1 in einer ggf. von mehreren zueinander parallel verlaufenden Austauscherrohren 1 durchsetzten Lamelle eines Wärmeaustauschers wird das Austauscherrohr 1 in eine an seinen Außendurchmesser angepaßte Öffnung in der Lamelle eingeführt und durch Aufweiten in der Öffnung festgelegt. Zu diesem Zweck wird ein entsprechend ausgebildetes nicht näher dargestelltes Aufweitwerkzeug durch das Austauscherrohr 1 verlagert.
Beim Ausführungsbeispiel besitzt das Austauscherrohr 1 einen Außendurchmesser D von 9,52 mm.
Die Herstellung des Austauscherrohrs 1 erfolgt aus einem nicht näher dargestellten beidseitig ebenen Blechband aus Kupfer. Das Blechband wird einem einstufigen Walzprägevorgang unterworfen, wobei entsprechend der Darstellung der Figuren 2 und 3 eine Seite des Blechbands 4 glatt bleibt (die spätere äußere Oberfläche 2 des Austauscherrohrs 1) und die andere Seite mit einer strukturierten Oberfläche (die spätere Innenseite 3 des Austauscherrohrs 1) versehen wird. Lediglich die dem Verschweißen dienenden Randbereiche 5 des Blechbands 4 (Figur 2) bleiben unstrukturiert. Nach dem Walzprägen wird das Blechband 4 zu einem Schlitzrohr eingeformt und dann längsnahtgeschweißt sowie auf Länge abgeteilt.
Die Struktur der inneren Oberfläche 3 des Austauscherrohrs 1 wird anschließend anhand der Figuren 2 bis 5 näher erläutert.
Sie umfaßt unter einem Winkel α von 45° zur Längsachse 6 des Austauscherrohrs 1 verlaufende parallele Rippen 7 (Figuren 2 und 3) mit geneigten Flanken 8 (Figuren 3 und 4). Der Flankenwinkel β der Rippen 7 beträgt beim Ausführungsbeispiel 20° und der Abstand A zweier benachbarter Rippen 7 0,35 mm (Figuren 2 und 4). Ihre Höhe H beläuft sich auf 0,30 mm (Figur 4). Der die Rippen 7 im Fußbereich verbindende Basisabschnitt 9 hat eine Dicke D1 von 0,30 mm (Figur 5).
Ferner ist aus den Figuren 3 und 4 zu erkennen, daß sowohl die Kopfbereiche 10 der Rippen 7 als auch die Übergänge 11 von den Flanken 8 auf die Kanalsohlen 12 gerundet sind. Das Querschnittsvolumen der Rippen 7 ist kleiner als das Querschnittsvolumen der Kanäle 13 zwischen den Rippen 7 bemessen.
Wie insbesondere die Figuren 3 und 5 veranschaulichen, ist jede Rippe 7 im Längsschnitt gesehen mit einem sinusförmigen Kammverlauf versehen. Aufgrund dieses sinusförmigen Wellenkamms der Rippen 7 in ihren Längsrichtungen LR werden in den Rippen 7 quer verlaufende Mulden 14 gebildet. Wie in diesem Zusammenhang die Figur 2 zeigt, sind Mulden 14 benachbarter Rippen 7 in einem Winkel γ von 45° zur Längsachse 6 des Austauscherrohrs 1 fluchtend hintereinander angeordnet. Der zwischen der Längsrichtung LR der Rippen 7 und den Mittellängsebenen MLE der Mulden 14 eingeschlossene Winkel δ beträgt 90°. Der Abstand A1 zweier in Längsrichtung einer Rippe 7 benachbarter Mulden 14 0,50 mm (Figuren 2 und 5) und der Abstand A2 der Muldenböden 15 von den Kanalsohlen 12 beträgt 0,01 mm. Die Mulden 14 haben eine Tiefe T1 von 0,25 mm (Figuren 4 und 5).
Wie die Figur 5 in bewußt übertriebener Darstellung anhand des Wellenkamms der Rippen 7 erkennen läßt, sind die Oberflächen 8, 10, 11 der Rippen 7, d.h. die Kopfbereiche 10, die Flanken 8 und die Übergänge 11 von den Flanken 8 auf die Kanalsohlen 12, ggf. aber auch die Kanalsohlen 12, mit einer Mikrorauhigkeit 16 versehen, deren Tiefe T 0,005 mm beträgt.
Die Herstellung der Mikrorauhigkeit 16 erfolgt beim Ausführungsbeispiel unmittelbar beim Walzprägen. Dazu ist die Prägewalze mittels einer Bestrahlung durch Korunde mit einer negativen diffusen Oberflächenstruktur versehen worden, die dann die Erzeugung der Oberflächenstruktur an der späteren inneren Oberfläche 3 des Austauscherrohrs 1 gewährleistet.
Aufgrund der strukturierten inneren Oberfläche 3 hat das in Figur 1 veranschaulichte Austauscherrohr 1 im Vergleich nicht nur zu einem Austauscherrohr mit einer glatten inneren Oberfläche, sondern auch zu einem innen gerillten Austauscherrohr einen wesentlich besseren Wärmedurchgangskoeffizienten k' (W/mK).
Dieser Sachverhalt ist aus den aufgrund vergleichender Untersuchungen erstellten Diagrammen gemäß den Figuren 6 und 7 ohne zusätzliche Erläuterungen erkennbar (Figur 6 -Kondensation, Fig. 7 - Verdampfung).

Bezugszeichenaufstellung

1 -: Austauscherrohr
2 -: äußere Oberfläche v. 1
3 -: innere Oberfläche v. 1
4 -: Blechband
5 -: Randbereiche v. 4
6 -: Längsachse v. 1
7 -: Rippen
8 -: Flanken v. 7
9 -: Basisabschnitt v. 4
10 -: Kopfbereiche v. 7
11 -: Übergänge v. 8 auf 12
12 -: Kanalsohlen
13 -: Kanäle
14 -: Mulden
15 -: Muldenböden
16 -: Mikrorauhigkeit
A -: Abstand zweier benachbarter Rippen 7
A1 -: Abstand zweier benachbarter MLE auf einer Rippe 7
A2 -: Abstand v. 12 zu 15
D -: Außendurchmesser v. 1
D1 -: Dicke v. 9
H -: Höhe v. 7
LR -: Längsrichtung v. 7
MLE-: Mittellängsebenen direkt benachbarter Mulden 14 auf verschiedenen Rippen 7
T -: Tiefe v. 16
T1 -: Tiefe v. 14
α -: Winkel zw. 6 u. 7
β -: Flankenwinkel v. 7
γ -: Winkel zw. 6 u. MLE
δ -: Winkel zw. LR u. MLE

Claims

1. Austauscherrohr für einen Wärmeaustauscher, das eine glatte äußere Oberfläche (2) und eine strukturierte innere Oberfläche (3) aufweist, die aus in einem von 90° abweichenden Winkel (α) zur Längsachse (6) des Austauscherrohrs (1) verlaufenden parallelen Rippen (7) mit geneigten Flanken (8), von den Rippen (7) seitlich begrenzten Kanälen (13) und in den Rippen (7) ausgeformten quer verlaufenden Mulden (14) gebildet ist, wobei die Mittellängsebenen (MLE) der Mulden (14) in einem von 90° abweichenden Winkel ( ) zur Längsachse (6) des Austauscherrohrs (1) verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mulden (14) durch eine im Längsschnitt sinusförmige Gestaltung der hinsichtlich ihrer Oberflächen (8, 10, 11) mit einer Mikrorauhigkeit (16) versehenen und kopfseitig gerundeten Rippen (7) gebildet sind, wobei die einander gegenüberliegenden Flanken (8) benachbarter Rippen (7) durch gerundete Übergänge (11) mit den Kanalsohlen (12) verbunden sind.

2. Austauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittellängsebenen (MLE) der Mulden (14) benachbarter Rippen (7) fluchtend verlaufen.

3. Austauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrorauhigkeit (16) der Rippenoberflächen (8, 10, 11) durch parallel zueinander verlaufende, von der Längsrichtung (LR) der Rippen (7) abweichende Mikrorillen gebildet ist.

4. Austauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrorauhigkeit (16) der Rippenoberflächen (8, 10, 11) durch sich kreuzförmig schneidende, von der Längsrichtung (LR) der Rippen (7) abweichende Mikrorillen gebildet ist.

5. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrorauhigkeit (16) durch Partikelstrahlen oder mittels Laserstrahlen hergestellt ist.

6. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (T) der Mikrorauhigkeit (16) 0,075 mm oder geringer bemessen ist.

7. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankenwinkel (β) der Rippen (7) 5° bis 60°, vorzugsweise 10° bis 40°, beträgt.

8. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrichtung (LR) der Rippen (7) unter einem Winkel (α) von 1° bis 89°, bevorzugt 20° bis 55°, zur Längsachse (6) des Austauscherrohrs (1) verläuft.

9. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen der Längsrichtung (LR) der Rippen (7) und den Mittellängsebenen (MLE) der Mulden (14) eingeschlossene Winkel (δ) 90° und kleiner bemessen ist.

10. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (A) zweier benachbarter Rippen (7) 0,10 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise 0,26 mm bis 0,6 mm, beträgt.

11. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (H) der Rippen (7) 0,03 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,05 mm bis 0,35 mm, beträgt.

12. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand ( A1) zweier benachbarter Mulden (14) einer Rippe (7) 0,2 mm bis 4,0 mm, vorzugsweise 0,3 mm bis 1,0 mm, beträgt.

13. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Muldenböden (15) im Abstand (A2) von den Kanalsohlen (12) angeordnet sind.

14. Austauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Muldenböden (15) in derselben Ebene wie die Kanalsohlen (12) angeordnet sind.