EP1182416A2 - Innenberipptes Wärmeaustauschrohr mit versetzt angeordneten Rippen unterschiedlicher Höhe - Google Patents

Innenberipptes Wärmeaustauschrohr mit versetzt angeordneten Rippen unterschiedlicher Höhe Download PDF

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EP1182416A2
EP1182416A2 EP01119589A EP01119589A EP1182416A2 EP 1182416 A2 EP1182416 A2 EP 1182416A2 EP 01119589 A EP01119589 A EP 01119589A EP 01119589 A EP01119589 A EP 01119589A EP 1182416 A2 EP1182416 A2 EP 1182416A2
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EP
European Patent Office
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heat exchange
zones
ribs
exchange tube
fin
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EP1182416A3 (de
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Christoph Dr.-Ing. Walther
Rolf Dipl.-Ing. Wamsler
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Wieland Werke AG
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Publication of EP1182416A3 publication Critical patent/EP1182416A3/de
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21B—ROLLING OF METAL
    • B21B27/00—Rolls, roll alloys or roll fabrication; Lubricating, cooling or heating rolls while in use
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
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    • B21C37/20—Making helical or similar guides in or on tubes without removing material, e.g. by drawing same over mandrels, by pushing same through dies ; Making tubes with angled walls, ribbed tubes and tubes with decorated walls
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    • B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
    • B21B1/22—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling plates, strips, bands or sheets of indefinite length
    • B21B1/227—Surface roughening or texturing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0068—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for refrigerant cycles
    • F28D2021/0071—Evaporators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/04—Assemblies of fins having different features, e.g. with different fin densities

Definitions

  • the invention relates to a heat exchange tube with an inner structured surface according to the preamble of the claim 1 (see, for example, JP-A-4 / 158.193) or claims 2/3 (see, for example, DE-A-196 28 280).
  • the heat exchange tube is esp. for the evaporation of liquids from pure substances or Mixtures suitable on the inside of the pipe. But it also offers Advantages in the condensation of vapors.
  • the Heat exchange tubes are often in between evaporation and Condensation switchable fin block heat exchangers used and are mostly horizontal in the Finned block heat exchanger installed.
  • the object of the invention is to provide a heat exchange tube with a to create inner surface structure which has the advantages one that is good or improved compared to the prior art Evaporation performance and at the same time one compared to that State of the art reduced pipe weight and a reduced according to the number of working and rolling steps Production effort connects.
  • the object is achieved in heat exchange tubes according to the preamble of claims 1, 2 and 3 according to the invention in that the fins in the individual zones (Z 1 to Z m ) in the longitudinal direction of the tube in any periodic combination and sequence of at least two fin heights (H 1 to H n , H 1 > H 2 >...> H n ) are arranged, adjacent zones (Z 1 to Z m ) adjoining one another in such a way that at the transition of two zones the rib sequence in the pipe longitudinal direction is offset by at least one rib.
  • Claims 4 to 19 relate to preferred embodiments the heat exchange tubes according to the invention.
  • the production of the heat exchange tube according to the invention is based on the example described in more detail below Method.
  • copper or a copper alloy used as the material of the heat exchange tubes but the present invention is not so limited.
  • Much more any type of metal can be used, e.g. Aluminum.
  • a metallic ribbon is a one-step Subjected rolling embossing step in which there is between one Structural roller with a complementary to the structure according to the invention Surface design and a backup roller passed becomes.
  • One side of the ribbon is used provided the structure of the invention, while the second Side remains smooth or one not described here in more detail Has structuring. Only the one below Welding edge areas of the first page can may be structured differently or unstructured stay.
  • the structured Flat ribbon molded into a slotted tube in one Welding process longitudinally welded and the pipe if necessary in a final drawing process to the desired one Brought outside diameter.
  • a possible influence on the Heat transfer capacity of the heat exchange tube according to the invention due to the different surrounding of the weld structured or unstructured area is insignificant and can be neglected.
  • the claim 20 relates to the preferred embodiment of a Structural roller for the production of the heat exchange tubes according to the invention.
  • the modular structure of the roller from disks or wrestling, the quick creation and evaluation of numerous Structure variants within the framework of an experimental plan and a rapid adaptation of the surface structure to new fluids and changed operating conditions by changing the number, shape and (groove) geometry of the disks and rings or by exchange individual disks / rings according to the modular principle enables, shows up as a further advantage of the invention.
  • Fig. 1 shows a fin block heat exchanger after State of the art with horizontally arranged heat exchange tubes 1 and not numbered slats.
  • Fig. 2 is a longitudinal section of a longitudinally welded Heat exchange tube 1 shown with the outer diameter D.
  • the heat exchange tube 1 has a smooth outer surface and a structured inner surface.
  • FIG. 3 schematically shows a top view of the opened inner surface of such a finned heat exchange tube 1.
  • the inner surface is divided into four zones (Z 1 to Z 4 ) in the longitudinal direction of the tube (see arrow direction).
  • zones (Z 1 to Z 4 ) alternately (in the longitudinal direction of the tube) high fins 2 (fin height H 1 ) and low fins 3 (fin height H 2 ) are formed, which are separated from one another by grooves 4.
  • the ribs 2, 3 - and the grooves 4 - run obliquely to the pipe longitudinal direction, ie the center lines 5 of the ribs 2, 3 form the pitch angle ⁇ with the pipe longitudinal direction.
  • Adjacent zones (Z 1 to Z 4 ) are offset from one another such that a high rib 2 and a low rib 3 collide at the boundaries of the zones (Z 1 to Z 4 ).
  • the rib length within a zone, measured along the center lines 5 of the ribs 2, 3, is designated by L.
  • FIG. 4 shows in detail the rib pitch t (distance from rib center to rib center, measured perpendicular to the rib center lines 5), the flank angles ⁇ 1 and ⁇ 2 , the rib heights H 1 and H 2 and the rib foot widths F 1 and F 2 , The flank angles ⁇ 1 , ⁇ 2 and the foot widths F 1 , F 2 are also measured in a cross-sectional plane perpendicular to the rib center lines 5.
  • FIG. 5 shows schematically and analogously to FIG. 3 a top view on the opened inner surface of a finned heat exchange tube 1, at the high and low ribs at the transition adjacent zones each through a gap 12 of length B (measured along the elongated center lines 5 of the ribs 2, 3) are separated from each other.
  • FIG. 6 schematically shows the structure of a structure roller 6 for Production of the heat exchange tubes 1 according to the invention shown.
  • the roller 6 is constructed from a plurality of disks 7 which are offset from one another in the circumferential direction. Deep and less deep grooves 8, 9 are alternately introduced into the individual disks 7, which produce the high ribs 2 and the lower ribs 3 in the individual zones Z 1 to Z 5 when the roller 6 rolls on the sheet metal strip 10 in a roll stamping process. After structuring, the sheet metal strip 10 is formed into a slotted tube and welded lengthwise (weld seam 11).
  • FIG. 7 and 8 show an embodiment with four zones each (Z 1 to Z 4 ), with FIG. 8 differing in the additional arrangement of columns 12 of length B between high ribs 2 and low ribs 3. These relationships are illustrated by the illustration in FIG. 5.
  • the inner surface of the heat exchange tube 1 according to FIG. 9 is divided into 6 zones (Z 1 to Z 6 ).
  • group G 1 with the three zones (Z 1 to Z 3 )
  • the ribs 2, 3 run at the pitch angle ⁇
  • the inner surface of the heat exchange tube 1 according to FIG. 10 is also divided into 6 zones (Z 1 to Z 6 ).
  • groups G 1 and G 3 with zones Z 1 / Z 2 and Z 5 / Z 6 the ribs 2, 3 run at the pitch angle ⁇ , in group 2 with zones Z 3 / Z 4 at a different pitch angle
  • each zone contains exactly one high and one lower rib 2, 3 in a cut in the circumferential direction, so that a total of 19 high ribs 2 and 19 lower ribs 3 result in the circumferential direction.
  • An angle of 90 ° is set as the offset of the zones or as the angular offset of the disks 7 of the structure roller 6 relative to one another.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschrohr (1) mit berippter Innenoberfläche, die in Umfangsrichtung in mindestens zwei Zonen (Z1 bis Zm) aufgeteilt ist. Die unter einem Steigungswinkel α zur Rohrlängsachse verlaufenden Rippen (2, 3) sind in den einzelnen Zonen (Z1 bis Zm) in beliebiger periodischer Kombination und Abfolge mindestens zweier Rippenhöhen (H1 bis Hn, H1>H2>...>Hn) angeordnet. Dabei grenzen benachbarte Zonen so aneinander, daß die Rippenabfolge in Rohrlängsrichtung um mindestens eine Rippe versetzt ist (vgl. Fig.7). Diese Anordnung ist auch bei erfindungsgemäßen Varianten vorgesehen, bei denen die berippte Innenoberfläche jeweils in Gruppen von Zonen aufgeteilt ist, in denen der Steigungswinkel der Rippen zwar einheitlich ist, zwischen benachbarten Gruppen aber variiert. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschrohr mit einer inneren strukturierten Oberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (vgl. etwa JP-A-4/158.193) bzw. der Ansprüche 2/3 (vgl. etwa DE-A-196 28 280). Das Wärmeaustauschrohr ist insbes. zur Verdampfung von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohrinnenseite geeignet. Es bietet aber auch Vorteile bei der Kondensation von Dämpfen.
Ein weltweiter Wettbewerb bei Wärmeaustauschern, z.B. Lamellenblock-Wärmeaustauschern (vgl. Fig. 1) für die Kälte- und Klimatechnik, erfordert hochleistende, mit wenig Material (geringes resultierendes Rohrgewicht) und kostengünstig in wenigen Arbeitsschritten produzierte Wärmeaustauschrohre. Die Wärmeaustauschrohre werden in oftmals zwischen Verdampfung und Kondensation umschaltbaren Lamellenblock-Wärmeaustauschern eingesetzt und sind dabei zumeist horizontal in die Lamellenblock-Wärmeaustauscher eingebaut.
Zum Stand der Technik zählt ein Wärmeaustauschrohr nach
  • US-A-5.332.034, bei dem in zwei nacheinander erfolgenden Walzgängen zunächst Rippen einheitlicher Höhe auf ein Band gewalzt werden und im zweiten Walzgang Mulden in die Rippen geformt werden. Dabei wird das aus den Rippen verdrängte Material seitlich der Rippen in die Kanäle hinein verschoben. Das zweistufige Walzverfahren erfordert mehrere hintereinander geschaltete Walzwerkzeuge bei entsprechend höherem wirtschaftlichen Aufwand. Zudem wird durch diesen zweistufigen Walzprozeß eine Reduzierung des Rohrgewichtes trotz des Ausformens der Mulden nicht erreicht. Die Mulden benachbarter Rippen sind fluchtend angeordnet, so daß sich in Wandnähe neben den parallel zu und zwischen den Rippen verlaufenden Kanälen eine zweite prädestinierte Strömungsrichtung in Richtung der fluchtenden Mulden ergibt. Diese zweite Vorzugsrichtung dient zwar dem Queraustausch zwischen den Kanälen der erstgenannten Vorzugsrichtung, der zusätzlichen Turbulenzerzeugung und Steigerung der Verdampfungsleistung, doch erschwert andererseits die Existenz einer zweiten Vorzugsrichtung die gewünschte Ausbildung einer Drallströmung im wandnahen Bereich.
  • DE-A-196 12 470, bei dem auf der inneren Oberfläche parallel und alternierend (oder auch einander kreuzend) hohe und niedrige Rippen mit zusätzlich in die Rippen eingebrachten Mulden ausgeformt sind. Auch hier sind die Mulden benachbarter Rippen fluchtend angeordnet.
  • DE-A-196 28 280, bei dem in Umfangsrichtung des Rohres sektionsweise zwischen zwei verschiedenen Richtungen für die Ausrichtung der Rippen gewechselt wird. Eine Drallströmung kann sich hier - aufgrund der fehlenden Vorzugsrichtung und im Gegensatz zu helixförmigen Strukturen - nicht ausbilden. Diese Form der Strukturierung der inneren Oberfläche erweist sich bei Verdampfung als wenig geeignet, da deutlich geringere Verdampfungsleistungen erzielt werden als in Rohren, deren Oberfläche eine eindeutige Vorzugsrichtung für die wandnahe Strömung aufweist.
Bei Kondensation hingegen erweist sich diese Art der Oberflächenstrukturierung als vorteilhaft.
  • JP-A-4/158.193, bei dem in Umfangsrichtung des Rohres sektionsweise zwischen Bereichen niedriger und hoher Rippenhöhe unterschieden wird. Allerdings wird so neben der ersten Vorzugsrichtung in Richtung der fluchtenden Rippenelemente eine zweite in Längsrichtung des Rohres über die kleinen Rippen hinweg verlaufende ausgebildet, wodurch insbesondere die Verdampferleistung stark negativ beeinflußt wird, da das strömende Fluid nicht mehr unbedingt in eine auch die obere Rohrhälfte benetzende Drallströmung gezwungen wird, sondern schlicht entlang der Sektionen niedriger Rippenhöhe und über diese kleinen Elemente hinweg in axialer Richtung abfließt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmeaustauschrohr mit einer inneren Oberflächenstruktur zu schaffen, welche die Vorteile einer im Vergleich zum Stand der Technik guten oder verbesserten Verdampfungsleistung und gleichzeitig eines gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Rohrgewichtes und eines verminderten, nach Anzahl der Arbeits- und Walzschritte zählenden Produktionsaufwandes verbindet.
Die Aufgabe wird bei Wärmeaustauschrohren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2 und 3 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rippen in den einzelnen Zonen (Z1 bis Zm) in Rohrlängsrichtung in beliebiger periodischer Kombination und Abfolge mindestens zweier Rippenhöhen (H1 bis Hn, H1>H2>...>Hn) angeordnet sind, wobei benachbarte Zonen (Z1 bis Zm) so aneinander grenzen, dass am Übergang zweier Zonen die Rippenabfolge in Rohrlängsrichtung um mindestens eine Rippe gegeneinander versetzt ist.
Damit ergeben sich folgende Vorteile der Erfindung:
  • Durch den alternierenden Wechsel hoher und niedriger Rippen in deren Längsrichtung bietet sich über die Rippen niedriger Höhe hinweg die Möglichkeit eines Queraustausches zwischen den Kanälen mit einer entsprechenden zusätzlichen Turbulenzerzeugung. Es wird allerdings durch die versetzte Anordnung der Rippen niedriger Höhe eine der fluchtenden Anordnung der Mulden aus US-A-5.332.034 ähnliche, zweite und störende Vorzugsrichtung vermieden.
  • Es liegt genau eine eindeutige Vorzugsrichtung der wandnahen Strömung vor, so daß durch die so erzwungene Drallströmung eine für eine gute und verbesserte Verdampfungsleistung erforderliche, vollständige Benetzung des gesamten Rohrumfangs und gerade der oben liegenden Abschnitte der inneren Rohroberfläche erzielt wird. Bei Strukturen ohne eine einheitliche Vorzugsrichtung, wie DE-A-196 28 280, kommt es hingegen zu einer Austrocknung der oberen Abschnitte des Rohrumfangs und somit zu einer starken Reduzierung der Verdampfungsleistung.
  • Im Gegensatz zum nachträglichen Formen der Mulden in einem zweiten Walzgang kann diese Struktur in einem einzigen Walzgang erzeugt werden, so daß anstelle des Verdrängens von Material aus den Rippen heraus in die Kanäle hinein, tatsächlich eine Materialeinsparung und eine Gewichtsreduzierung erzielt und zudem eine Verminderung des nach Anzahl der Arbeits- und Walzschritte zählenden Produktionsaufwandes erreicht wird.
  • Strukturen mit zonenweise variierendem Steigungswinkel der Rippen nach Anspruch 2 bzw. 3, bieten vor allem aus umformtechnischer Sicht bedeutende Vorteile, da sich evtl. auftretende, durch die schräg zur Bandrichtung verlaufenden Nuten und Rippen bedingte Seitenkräfte im Walzprozeß zumindest teilweise kompensieren können und so die Bandführung erleichtert wird. Ihre wärmetechnische Leistung kann durch die erfindungsgemäß durch die verschiedenen Höhen, Fußbreiten und Querschnittsformen der Rippen unterschiedlicher Höhe zusätzlich in die Oberflächenstruktur eingebrachten Kanten, scharfkantige oder auch abgerundete Vor- und Rücksprünge noch gesteigert werden.
Die Ansprüche 4 bis 19 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre.
Durch die verschiedenen Höhen, Fußbreiten und Querschnittsformen der Rippen unterschiedlicher Höhe werden zusätzlich Kanten, scharfkantige oder auch abgerundete Vor- und Rücksprünge in die Oberflächenstruktur und in die seitlichen Begrenzungen der wandnahen Kanäle eingebracht, die einer weiteren Turbulenzerzeugung und - insbesondere bei Gemischen - einem Stören und Aufreißen sich eventuell ausbildender Temperatur- und Konzentrationsgrenzschichten dienen und als zusätzliche Dampfblasenkeime zur Verfügung stehen. (Vorteil gegenüber DE-A-196 12 470).
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres basiert beispielhaft auf dem im Folgenden näher beschriebenen Verfahren. Üblicherweise wird Kupfer oder eine Kupferlegierung als Material der Wärmeaustauschrohre verwendet, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht in dieser Weise beschränkt. Vielmehr kann jeder Metalltyp zur Anwendung kommen, z.B. Aluminium. Zunächst wird ein metallisches Flachband einem einstufigen Walzprägeschritt unterworfen, in dem es zwischen einer Strukturwalze mit einer zur erfindungsgemäßen Struktur komplementären Oberflächengestaltung und einer Stützwalze hindurchgeführt wird. Dabei wird eine Seite des Flachbandes mit der erfindungsgemäßen Struktur versehen, während die zweite Seite glatt bleibt oder auch eine hier nicht näher beschriebene Strukturierung aufweist. Lediglich die dem nachfolgenden Verschweißen dienenden Randbereiche der ersten Seite können eventuell andersartig strukturiert werden oder auch unstrukturiert bleiben. Nach dem Walzprägeschritt wird das strukturierte Flachband zu einem Schlitzrohr eingeformt, in einem Schweißprozess längsnahtgeschweißt und das Rohr gegebenenfalls noch in einem abschließenden Ziehprozeß auf den gewünschten Aussendurchmesser gebracht. Eine mögliche Beeinflussung des Wärmeübertragungsvermögens des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres durch den die Schweißnaht umgebenden, andersartig strukturierten oder auch unstrukturierten Bereich ist unbedeutend und kann vernachlässigt werden.
Der Anspruch 20 betrifft die bevorzugte Ausführungsform einer Strukturwalze zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre. Der modulare Aufbau der Walze aus Scheiben bzw. Ringen, der ein schnelles Erstellen und Bewerten zahlreicher Strukturvarianten im Rahmen eines Versuchsplanes und eine zügige Anpassung der Oberflächenstrukturierung an neue Fluide und veränderte Betriebszustände durch Änderung der Zahl, Form und (Nuten-)Geometrie der Scheiben und Ringe bzw. durch Austausch einzelner Scheiben/Ringe nach dem Baukastenprinzip ermöglicht, zeigt sich als weiterer Vorteil der Erfindung.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1
einen Lamellenblock-Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik,
Fig.2
perspektivisch einen Abschnitt eines innenberippten Wärmeaustauschrohres,
Fig.3
schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche,
Fig.4
im vergrößerten Maßstab einen Querschnitt senkrecht zu den Rippenmittellinien durch eine hohe und eine niedrige Rippe nach Fig.3,
Fig.5
schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres analog zu Fig.3, bei dem hohe und niedrige Rippen jeweils durch einen Spalt voneinander getrennt sind,
Fig.6
schematisch den Aufbau einer Strukturwalze zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre,
Fig.7
in Schwarzweiß-Darstellung eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter Innenoberfläche, die in vier Zonen aufgeteilt ist,
Fig.8
eine Innenoberfläche nach Fig.7, bei der hohe und niedrige Rippen jeweils durch einen Spalt getrennt sind,
Fig. 9
in Schwarzweiß-Darstellung eine Draufsicht eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter Innenoberfläche, die in sechs Zonen aufgeteilt ist, wobei die Rippen positive und negative Steigungswinkel aufweisen, und
Fig. 10
in Schwarzweiß-Darstellung eine Draufsicht eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter Innenoberfläche, die in sechs Zonen aufgeteilt ist, wobei die Rippen in den beiden mittleren Zonen einen anderen Steigungswinkel aufweisen als die Rippen in den beiden jeweiligen Randzonen.
Fig. 1 zeigt einen Lamellenblock-Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik mit horizontal angeordneten Wärmeaustauschrohren 1 und nicht näher bezifferten Lamellen.
In Fig. 2 ist ein Längenabschnitt eines längsnahtgeschweißten Wärmeaustauschrohres 1 mit dem Außendurchmesser D dargestellt. Das Wärmeaustauschrohr 1 weist eine glatte äußere Oberfläche und eine strukturierte Innenoberfläche auf.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die aufgeklappte Innenoberfläche eines solchen berippten Wärmeaustauschrohres 1. Die Innenoberfläche ist in Rohrlängsrichtung (s. Pfeilrichtung) in vier Zonen (Z1 bis Z4) aufgeteilt. In jeder Zone (Z1 bis Z4) sind alternierend (in Rohrlängsrichtung) hohe Rippen 2 (Rippenhöhe H1) und niedrige Rippen 3 (Rippenhöhe H2) eingeformt, die durch Nuten 4 voneinander getrennt sind. Die Rippen 2, 3 - und die Nuten 4 - verlaufen schräg zur Rohrlängsrichtung, d.h. die Mittellinien 5 der Rippen 2, 3 bilden mit der Rohrlängsrichtung den Steigungswinkel α. Benachbarte Zonen (Z1 bis Z4) sind so gegeneinander versetzt, daß an den Grenzen der Zonen (Z1 bis Z4) jeweils eine hohe Rippe 2 und eine niedrige Rippe 3 zusammenstoßen. Die Rippenlänge innerhalb einer Zone, gemessen längs der Mittellinien 5 der Rippen 2, 3, ist mit L bezeichnet.
Fig.4 zeigt im Detail die Rippenteilung t (Abstand von Rippenmitte zu Rippenmitte, gemessen senkrecht zu den Rippenmittellinien 5), die Flankenwinkel γ1 bzw. γ2, die Rippenhöhen H1 bzw. H2 und die Rippenfußbreiten F1 bzw. F2. Die Flankenwinkel γ1, γ2 und die Fußbreiten F1, F2 werden ebenfalls in einer Querschnittsebene senkrecht zu den Rippenmittellinien 5 gemessen.
Fig. 5 zeigt schematisch und analog zu Fig.3 eine Draufsicht auf die aufgeklappte Innenoberfläche eines berippten Wärmeaustauschrohres 1, bei der hohe und niedrige Rippen am Übergang benachbarter Zonen jeweils durch einen Spalt 12 der Länge B (gemessen längs der verlängerten Mittellinien 5 der Rippen 2, 3) voneinander getrennt sind.
In Fig. 6 ist schematisch der Aufbau einer Strukturwalze 6 zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre 1 dargestellt.
Die Walze 6 ist aus mehreren Scheiben 7 aufgebaut, die in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind. In die einzelnen Scheiben 7 sind alternierend tiefe und weniger tiefe Nuten 8, 9 eingebracht, die beim Abrollen der Walze 6 auf dem Blechband 10 in einem Walzprägevorgang die hohen Rippen 2 und die niedrigeren Rippen 3 in den einzelnen Zonen Z1 bis Z5 erzeugen. Nach der Strukturierung wird das Blechband 10 zu einem Schlitzrohr geformt und längsgeschweißt (Schweißnaht 11).
Die Fig. 7 bis 10 zeigen in Schwarzweiß-Darstellung weitere Ausführungsformen der Erfindung, wobei die Rippenspitzen/ -flanken weiß und der Grund der zwischen den Rippen 2, 3 verlaufenen Nuten 4 schwarz gehalten wird.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Ausführungsform mit jeweils vier Zonen (Z1 bis Z4), wobei sich die Fig.8 durch die zusätzliche Anordnung von Spalten 12 der Länge B zwischen hohen Rippen 2 und niedrigen Rippen 3 unterscheidet. Diese Verhältnisse sind anhand der Darstellung gemäß Fig. 5 verdeutlicht.
Die Innenoberfläche des Wärmeaustauschrohres 1 nach Fig. 9 ist in 6 Zonen (Z1 bis Z6) aufgeteilt. In der Gruppe G1 mit den drei Zonen (Z1 bis Z3) verlaufen die Rippen 2, 3 unter dem Steigungswinkel α, in der Gruppe 2 mit den drei Zonen (Z4 bis Z6) unter dem bzgl. der Grenzlinie zwischen benachbarten Gruppen spiegelsymmetrisch entgegen gesetzten (negativen) Winkel α' = -α.
Die Innenoberfläche des Wärmeaustauschrohres 1 nach Fig. 10 ist ebenfalls in 6 Zonen (Z1 bis Z6) aufgeteilt. In den Gruppen G1 und G3 mit den Zonen Z1/Z2 und Z5/Z6 verlaufen die Rippen 2, 3 unter dem Steigungswinkel α, in der Gruppe 2 mit den Zonen Z3/Z4 unter einem betragsmäßig anderen Steigungswinkel |α'| ≠ |α|.
Zahlenbeispiel:
Zur Herstellung eines Wärmeaustauschrohres 1 mit einem Aussendurchmesser von D = 7 mm wird die Strukturwalze 6 aufgebaut aus 19 Scheiben 7 des Durchmessers 33 mm und der Stärke 1,2 mm, so dass die resultierende Strukturierung der Innenoberfläche des Wärmeaustauschrohres 1 vor dem abschließenden Ziehprozeß entsprechend Fig. 2 aus 19 1,2 mm breiten Zonen besteht, in denen sich in Längsrichtung des Bandes 10 alternierend hohe und niedrigere Rippen 2, 3 abwechseln und unter einem Winkel von α = 14,3° gegenüber der Längsrichtung des Flachbandes 10 verlaufen. Je Zone sind in dieser Ausführung bei einem Schnitt in Umfangsrichtung genau eine hohe und eine niedrigere Rippe 2, 3 enthalten, so dass insgesamt in Umfangsrichtung 19 hohe Rippen 2 und 19 niedrigere Rippen 3 resultieren. Die Rippenhöhen betragen H1 = 0,14 mm bzw. H2 = 0,07 mm, die Flankenwinkel γ = 45°, die Längen der Rippen L = 4,86 mm und die Teilung (der Abstand hohe - niedrige Rippe gemessen senkrecht zur Rippe) beträgt t = 0,58 mm. Als Versatz der Zonen bzw. als Winkelversatz der Scheiben 7 der Strukturwalze 6 gegeneinander wird ein Winkel von 90° eingestellt.

Claims (20)

  1. Wärmeaustauschrohr (1) mit berippter Innenoberfläche, die in Umfangsrichtung in mindestens zwei Zonen (Z1 bis Zm) aufgeteilt ist, wobei sich unter einem Steigungswinkel α zur Rohrlängsachse verlaufende Rippen (2,3) unterschiedlicher Rippenhöhe in benachbarten Zonen (Z1 bis Zm) abwechseln,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (2, 3) in den einzelnen Zonen (Z1 bis Zm) in Rohrlängsrichtung in beliebiger periodischer Kombination und Abfolge mindestens zweier Rippenhöhen (H1 bis Hn, H1>H2>...>Hn) angeordnet sind, wobei benachbarte Zonen (Z1 bis Zm) so aneinander grenzen, dass am Übergang zweier Zonen die Rippenabfolge in Rohrlängsrichtung um mindestens eine Rippe gegeneinander versetzt ist.
  2. Wärmeaustauschrohr (1) mit berippter Innenoberfläche, die in Umfangsrichtung in mindestens zwei Gruppen (G1 bis Gp) von Zonen (Z1 bis Zm) aufgeteilt ist, wobei jede Gruppe mindestens zwei Zonen umfaßt und der Steigungswinkel (α, α') der Rippen (2, 3) in den Zonen einer Gruppe jeweils einheitlich ist, zwischen benachbarten Gruppen aber dergestalt variiert, daß bei Zählung ab einer Gruppe G1 in Gruppen mit ungeradzahliger Nummer ein betragsmäßig anderer Steigungswinkel α der Rippen (2, 3) vorliegt als der Steigungswinkel α' in Gruppen geradzahliger Nummer (|α'| ≠ |α|),
    dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (2, 3) in den einzelnen Zonen (Z1 bis Zm) in Rohrlängsrichtung in beliebiger periodischer Kombination und Abfolge mindestens zweier Rippenhöhen (H1 bis Hn, H1>H2>...>Hn) angeordnet sind, wobei benachbarte Zonen (Z1 bis Zm) einer Gruppe so aneinander grenzen, dass am Übergang zweier Zonen einer Gruppe die Rippenabfolge in Rohrlängsrichtung um mindestens eine Rippe gegeneinander versetzt ist.
  3. Wärmeaustauschrohr (1) mit berippter Innenoberfläche, die in Umfangsrichtung in mindestens zwei Gruppen (G1 bis Gp) von Zonen (Z1 bis Zm) aufgeteilt ist, wobei jede Gruppe mindestens zwei Zonen umfaßt und der Steigungswinkel (α, α') der Rippen (2, 3) in den Zonen einer Gruppe jeweils einheitlich ist, zwischen benachbarten Gruppen aber dergestalt variiert, daß bei Zählung ab einer Gruppe G1 in Gruppen mit ungeradzahliger Nummer ein Steigungswinkel α der Rippen (2, 3), in Gruppen geradzahliger Nummer ein bzgl. der Grenzlinie zwischen benachbarten Gruppen spiegelsymmetrisch entgegengesetzter Steigungswinkel α' = -α der Rippen (2, 3) vorliegen,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (2, 3) in den einzelnen Zonen (Z1 bis Zm) in Rohrlängsrichtung in beliebiger periodischer Kombination und Abfolge mindestens zweier Rippenhöhen (H1 bis Hn, H1>H2>...>Hn) angeordnet sind, wobei benachbarte Zonen (Z1 bis Zm) einer Gruppe so aneinander grenzen, dass am Übergang zweier Zonen einer Gruppe die Rippenabfolge in Rohrlängsrichtung um mindestens eine Rippe gegeneinander versetzt ist.
  4. Wärmeaustauschrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Zone (Z1 bis Zm) in periodischer Wiederholung auf genau eine Rippe mit der Rippenhöhe Hi (i=1 bis n) jeweils genau eine Rippe mit der Rippenhöhe Hj (j=1 bis n, j≠i, Hj≠Hi) und eventuell weitere Rippen der Höhen Hk (k=1 bis n, k≠i,j, Hk≠Hi,Hj) in Rohrlängsrichtung folgen.
  5. Wärmeaustauschrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Zone (Z1 bis Zm) in periodischer Wiederholung auf zwei oder mehr Rippen mit der Rippenhöhe Hi (i=1 bis n) jeweils genau eine Rippe mit der Rippenhöhe Hj (j=1 bis n, j≠i, Hj≠Hi) und eventuell weitere Rippen der Höhen Hk (k=1 bis n, k≠i,j, Hk≠Hi,Hj) in Rohrlängsrichtung folgen.
  6. Wärmeaustauschrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Zone (Z1 bis Zm) in periodischer Wiederholung auf genau eine Rippe mit der Rippenhöhe Hi (i=1 bis n) jeweils zwei oder mehr Rippen mit der Rippenhöhe Hj (j=1 bis n, j≠i, Hj≠Hi) und eventuell weitere Rippen der Höhen Hk (k=1 bis n, k#1,j, Hk≠Hi,Hj) in Rohrlängsrichtung folgen.
  7. Wärmeaustauschrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Zone (Z1 bis Zm) in periodischer Wiederholung auf zwei oder mehr Rippen mit der Rippenhöhe Hi (i=1 bis n) jeweils zwei oder mehr Rippen mit der Rippenhöhe Hj (j=1 bis n, j≠i, Hj≠Hi) und eventuell weitere Rippen der Höhen Hk (k=1 bis n, k≠i,j, Hk≠Hi,Hj) in Rohrlängsrichtung folgen.
  8. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem äußeren Rohrdurchmesser von D = 3 bis 20 mm der Steigungswinkel α = 5 bis 85°, die größte Rippenhöhe H1 = 0,05 bis 0,5 mm und die Rippenlänge je Zone L = 0,5 bis 15 mm betragen.
  9. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem äußeren Rohrdurchmesser von D = 6 bis 12,7 mm der Steigungswinkel α = 10 bis 40°, die größte Rippenhöhe H1 = 0,1 bis 0,3 mm und die Rippenlänge je Zone L = 0,5 bis 10 mm betragen.
  10. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenhöhen Hj (j=2 bis n), verglichen zur größten Rippenhöhe H1, Hj/H1 = 0,1 bis 0,9, insbes. 0,2 bis 0,8 betragen.
  11. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenhöhe H2, verglichen zur größten Rippenhöhe H1, H2/H1 = 0,2 bis 0,7, insbes. 0,4 bis 0,6 beträgt.
  12. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenteilung t = 0,1 bis 0,8 mm und die Flankenwinkel γ 1 bis γn = 10 bis 60° betragen.
  13. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenteilung t = 0,2 bis 0,6 mm und die Flankenwinkel γ1 bis γn = 20 bis 50° betragen.
  14. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Rippen (2, 3) geometrisch ähnlich sind.
  15. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte der Rippen (2, 3) geometrisch verschieden sind.
  16. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rippen (2, 3) benachbarter Zonen (Z1 bis Zm), von denen eine in der Verlängerung der Mittellinie (5) der anderen liegt, jeweils durch einen Spalt (12) voneinander getrennt sind.
  17. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltlänge B < 0,5 x Rippenlänge L beträgt.
  18. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltlänge B < 0,2 x Rippenlänge L beträgt.
  19. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß es zumindest eine Schweißnaht (11), insbes. in Rohrlängsrichtung, aufweist.
  20. Strukturwalze zur Herstellung von strukturierten Bändern für Wärmeaustauschrohre nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Scheiben oder Ringen (7) aufgebaut ist, deren Anzahl und Breite der Anzahl und Breite der Zonen (Z1 bis Zm) des Wärmeaustauschrohres (1) entspricht, die schräg verlaufende Nuten (8, 9) mit alternierend unterschiedlicher Tiefe aufweisen und die in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind.
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