EP1223400A2 - Tube for heat exchanger and process for making same - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a metallic heat exchanger tube, especially for the evaporation of liquids from pure substances or mixtures on the outside of the pipe, according to the generic term of claim 1.
- Tube heat exchangers are often used in technology which liquids of pure substances or mixtures on the Evaporate the outside of the pipe and thereby on the inside of the pipe cool down a brine or water. Such devices are called flooded evaporators.
- the present invention relates to structured Pipes where the heat transfer coefficient is on the outside of the pipe is intensified. Since this is the main part of the Thermal resistance is often shifted to the inside the heat transfer coefficient must be on the inside usually also be intensified. An increase the heat transfer on the inside of the tube usually has an increase in the pipe-side pressure drop.
- Have heat exchanger tubes for shell and tube heat exchangers usually at least one structured area as well smooth end pieces and possibly smooth intermediate pieces.
- the smooth end or intermediate pieces limit the structured Areas. So that the tube can be easily inserted into the tube bundle heat exchanger can be installed, the outer diameter the structured areas should not be larger than the outer Diameter of the smooth end and intermediate pieces.
- the Bubble boiling process intensified. It is known that the formation of bubbles at germ sites begins. These germ spots are mostly small gas or vapor inclusions. Such Germination can already be done by roughening the surface produce. If the growing bubble is a certain size reached, it detaches from the surface. If in In the course of the blister detachment the germ site by inflowing If liquid is flooded, the inclusion of gas or steam displaced by liquid. In this case the Germ site inactivated. This can be done by an appropriate one Avoid designing the germ sites. For this it is necessary that the opening of the germination point is smaller than that under the Opening cavity.
- integral rolled finned tubes are understood to be finned tubes, where the fins are made of the wall material of a smooth tube were formed.
- the located between adjacent ribs Channels are closed in such a way that connections between channel and environment in the form of pores or slits stay. Because the opening of the pores or slits is smaller than the width of the channels, the channels represent suitably shaped Cavities represent the formation and stabilization of bladder germ sites favor.
- EP 0.222.100 proposes the bottom of the groove by means of a notched disk with indentations to provide.
- the indentations on the bottom of the groove can be V-, Have a trapezoidal or semicircular cross-section additional bladder germ sites represent.
- the by such Structures especially in the area of small heating surface loads achievable performance increases are not sufficient more the demands of the market.
- the impressions a weakening of the core wall of the tube and lead to a reduction in the mechanical stability of the Tube.
- the task is the one mentioned in a heat exchanger tube Type in which the area between the Ribs of helical primary grooves are arranged, solved according to the invention, that the recesses in the form of undercut secondary grooves are trained.
- An undercut secondary groove provides for education and Stabilization of bladder germ sites much cheaper Conditions than the simple ones proposed in EP 0.222.100 Indentations.
- the location of the undercut secondary grooves in the proximity of the primary groove bottom is for the evaporation process Particularly favorable because the wall overtemperature at the bottom of the groove is largest and therefore the highest driving force there Temperature difference for blistering is available.
- Claims 2 to 15 relate to preferred embodiments of the heat exchanger tube according to the invention.
- suitable additional tools material from the field of Rib flanks displaced towards the bottom of the groove so that not there Completely closed cavities emerge that are the desired ones represent undercut secondary grooves.
- the cavities extend from the primary groove bottom to the tip of the rib, with a maximum of 45% of the rib height H, typically Extend to 20% of the rib height H.
- the rib height H is from the deepest part of the bottom of the groove through the largest roller was formed up to the tip of the rib of the fully formed finned tube measured.
- the invention relates to claims 16 to 22 furthermore various processes for the production of the invention Heat exchanger tube.
- the integrally rolled finned tube 1 according to FIGS. 2 to 7 has on the outside of the tube helical ribs 3, between which a primary groove 4 is formed. material the rib flanks 5 are suitably shifted so that in the area of the bottom 6 of the groove are not completely closed, the undercut secondary grooves according to the invention represent. Material of the rib tips 8 is such relocated that the rib spaces with formation of Channels 9 are closed except for pores 26.
- the finned tube according to the invention is produced by a rolling process (see US Pat. Nos. 1,865,575 / 3,327,512) by means of the devices shown in Figures 2/4/6.
- the tool holder 10 are each 360 ° / n offset on the circumference of the finned tube.
- the tool holder 10 are radially deliverable. They are in turn a stationary roller head (not shown).
- the smooth pipe entering the device in the direction of the arrow 2 is driven by the driven rolling tools arranged on the circumference 11 set in rotation, the axes of the rolling tools 11 run obliquely to the pipe axis.
- the rolling tools 11 consist of several side by side in a manner known per se arranged rolling disks 12, the diameter in Arrow direction increases.
- the centrally arranged rolling tools 11 form the helical circumferential ribs 3 from the tube wall of the smooth tube 2, being in the forming zone the tube wall is supported by a rolling mandrel 27.
- the rolling mandrel 27 can be profiled.
- the along the pipe axis measured distance between the centers of two adjacent ribs referred to as the rib pitch T.
- the rolling disks are on hers profiled outer circumference such that the shaped ribs 3rd have a substantially trapezoidal cross-section. Only in the transition area 13 between the rib flank 5 and the bottom of the groove 6 the rib deviates from the ideal trapezoidal shape. This Transition area 13 is usually referred to as a rib base. The radius formed there is required to be one unimpeded material flow during the rib formation enable.
- the diameter is smaller than the diameter of the largest roller disc (Fig. 2).
- the thickness D of this cylindrical disc 14 is somewhat larger than the width B of the formed by the rolling disks 12 Primary groove 4, here the width B of the primary groove 4 on the Point is measured at which the rib flank 5 in the radius area of the fin base 13 passes over.
- the thickness D of the cylindrical disc 50% to 80% of the rib pitch T.
- the cylindrical disc 14 displaces material from the rib flank 5 towards the bottom 6 of the groove. The displaced material is determined by the appropriate choice of tool geometry shifted such that there are 6 material projections above the groove base 15 forms and thus directly at the bottom of the groove 6 not completely closed cavity 7 is formed (Fig. 3).
- This cavity 7 runs in the circumferential direction with almost constant cross section.
- the cavity 7 represents one undercut secondary groove according to the invention.
- This embodiment is an extension of the embodiment 1 represents: After the cylindrical disc 14 is in the second embodiment, a gear-like notched disk 16 engaged, the diameter of which is larger than the diameter the cylindrical disc 14, but at most as large like the diameter of the largest rolling disc of the rolling tool 11 (Fig. 4).
- the formed by the cylindrical disc 14 in Circumferential direction with constant cross-section Cavity is through the notched disk 16 through in the circumferential direction regularly arranged impressions 17 divided. It This creates circumferential, undercut circumferential Secondary grooves 7, the cross section of which at regular intervals is varied (Fig. 5).
- the notched disk 16 can be straight or be helical.
- the tube wall 18 is accordingly in the formation of the undercut secondary grooves 7 according to embodiment 2 not weakened.
- the Diameter of the notched disk 19 is at most as large as that Diameter of the largest roller disc (Fig. 6).
- the thickness D 'of Notched disk 19 is slightly larger than the width B of the Rolling disks 12 shaped primary groove 4, here the width B of the primary groove 4 is measured at the point where the Rib flank 5 merges into the radius area of the rib foot 13.
- the thickness D 'of this notched disk is typically 50% to 80% of the rib pitch T.
- the notched disk 19 can be straight or helical.
- the notched disk 19 displaces Material from the area of the rib flanks 5 and from the Radius area at the fin base 13 and leaves each other there spaced indentations 20.
- the tube wall 18 is accordingly in the formation of the undercut secondary grooves 7 according to embodiment 3 not weakened.
- the rib tips 8 by means of a notched gear-like notched disk 24. This is in the figures 2/4/6 shown. Subsequently, the notched rib tips by one or more compression rollers 25.
- the ribs 3 thus have a substantially T-shaped Cross section, and the grooves 9 between the ribs 3 are up closed on pores 26 (see FIGS. 3/5/7).
- the fin height H is the lowest on the finished finned tube 1 Place the bottom of the groove 6 up to the tip of the ribs completely shaped finned tube measured.
- Bottom 6 of the primary grooves 4 extend from the bottom 6 of the groove Rib tip down, with a maximum of 45% of the rib height H, typically up to 20% of the rib height H.
- FIG. 8 shows the photo of an undercut according to the invention Secondary groove 7 at the bottom of the groove 6.
- the cutting plane is vertical to the circumferential direction of the pipe.
- the recognizable asymmetry the structure is due to unavoidable tolerances in tool and Due to raw material dimensions.
- the projections 15 exist made of material from the rib flanks 5 to the bottom 6 of the groove was relocated.
- Fig. 9 shows the performance of two structured in comparison Pipes on the evaporation of the refrigerant R-134a the outside of the pipe, one of the pipes with undercut Secondary grooves on the groove base was carried out. shown is the external heat transfer coefficient above the heating surface load. The saturation temperature is 14.5 ° C. It can be seen that the undercut secondary grooves on A performance advantage is achieved that is small Heating surface loads over 30%, with large heating surface loads is about 20%.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein metallisches Wärmeaustauscherrohr, insbesondere zur Verdampfung von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohraußenseite, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a metallic heat exchanger tube, especially for the evaporation of liquids from pure substances or mixtures on the outside of the pipe, according to the generic term of claim 1.
Verdampfung tritt in vielen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik sowie in der Prozeß- und Energietechnik auf. In der Technik werden häufig Rohrbündelwärmeaustauscher verwendet, in denen Flüssigkeiten von Reinstoffen oder Mischungen auf der Rohraußenseite verdampfen und dabei auf der Rohrinnenseite eine Sole oder Wasser abkühlen. Solche Apparate werden als überflutete Verdampfer bezeichnet.Evaporation occurs in many areas of refrigeration and air conditioning technology as well as in process and energy technology. In the Tube heat exchangers are often used in technology which liquids of pure substances or mixtures on the Evaporate the outside of the pipe and thereby on the inside of the pipe cool down a brine or water. Such devices are called flooded evaporators.
Durch die Intensivierung des Wärmeübergangs auf der Rohraußenund der Rohrinnenseite läßt sich die Größe der Verdampfer stark reduzieren. Hierdurch nehmen die Herstellungskosten solcher Apparate ab. Außerdem sinkt die notwendige Füllmenge an Kältemittel, die bei den heute überwiegend verwendeten, chlorfreien Sicherheitskältemitteln einen nicht zu vernachlässigenden Kostenanteil an den gesamten Anlagekosten ausmachen kann. Bei toxischen oder brennbaren Kältemitteln läßt sich durch eine Reduktion der Füllmenge ferner das Gefahrenpotential herabsetzen. Die heute üblichen Hochleistungsrohre sind etwa um den Faktor drei leistungsfähiger als glatte Rohre gleichen Durchmessers. By intensifying the heat transfer on the outer tube and the inside of the tube can be the size of the evaporator greatly reduce. This will increase the manufacturing costs of such apparatus. In addition, the necessary filling quantity drops of refrigerants that are mainly used today chlorine-free safety refrigerants not to be neglected Make up part of the total investment costs can. With toxic or flammable refrigerants by reducing the filling quantity, the potential danger decrease. The high-performance pipes that are common today are about three times more powerful than smooth pipes same diameter.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf strukturierte Rohre, bei denen der Wärmeübergangskoeffizient auf der Rohraußenseite intensiviert wird. Da hierdurch der Hauptanteil des Wärmedurchgangswiderstandes häufig auf die Innenseite verlagert wird, muß der Wärmeübergangskoeffizient auf der Innenseite in der Regel ebenfalls intensiviert werden. Eine Erhöhung des Wärmeübergangs auf der Rohrinnenseite hat üblicherweise eine Steigerung des rohrseitigen Druckabfalls zu Folge.The present invention relates to structured Pipes where the heat transfer coefficient is on the outside of the pipe is intensified. Since this is the main part of the Thermal resistance is often shifted to the inside the heat transfer coefficient must be on the inside usually also be intensified. An increase the heat transfer on the inside of the tube usually has an increase in the pipe-side pressure drop.
Wärmeaustauscherrohre für Rohrbündelwärmeaustauscher besitzen üblicherweise mindestens einen strukturierten Bereich sowie glatte Endstücke und eventuell glatte Zwischenstücke. Die glatten End- bzw. Zwischenstücke begrenzen die strukturierten Bereiche. Damit das Rohr problemlos in den Rohrbündelwärmeaustauscher eingebaut werden kann, darf der äußere Durchmesser der strukturierten Bereiche nicht größer sein als der äußere Durchmesser der glatten End- und Zwischenstücke.Have heat exchanger tubes for shell and tube heat exchangers usually at least one structured area as well smooth end pieces and possibly smooth intermediate pieces. The smooth end or intermediate pieces limit the structured Areas. So that the tube can be easily inserted into the tube bundle heat exchanger can be installed, the outer diameter the structured areas should not be larger than the outer Diameter of the smooth end and intermediate pieces.
Zur Erhöhung des Wärmeüberganges bei der Verdampfung wird der Vorgang des Blasensiedens intensiviert. Es ist bekannt, daß die Bildung von Blasen an Keimstellen beginnt. Diese Keimstellen sind meist kleine Gas- oder Dampfeinschlüsse. Solche Keimstellen lassen sich bereits durch Aufrauhen der Oberfläche erzeugen. Wenn die anwachsende Blase eine bestimmte Größe erreicht hat, löst sie sich von der Oberfläche ab. Wenn im Zuge der Blasenablösung die Keimstelle durch nachströmende Flüssigkeit geflutet wird, wird u.U. der Gas- bzw. Dampfeinschluß durch Flüssigkeit verdrängt. In diesem Fall wird die Keimstelle inaktiviert. Dies läßt sich durch eine geeignete Gestaltung der Keimstellen vermeiden. Hierzu ist es notwendig, daß die Öffnung der Keimstelle kleiner ist als der unter der Öffnung liegende Hohlraum.To increase the heat transfer during evaporation, the Bubble boiling process intensified. It is known that the formation of bubbles at germ sites begins. These germ spots are mostly small gas or vapor inclusions. Such Germination can already be done by roughening the surface produce. If the growing bubble is a certain size reached, it detaches from the surface. If in In the course of the blister detachment the germ site by inflowing If liquid is flooded, the inclusion of gas or steam displaced by liquid. In this case the Germ site inactivated. This can be done by an appropriate one Avoid designing the germ sites. For this it is necessary that the opening of the germination point is smaller than that under the Opening cavity.
Es ist Stand der Technik, derartige Strukturen auf der Basis von integral gewalzten Rippenrohren herzustellen. Unter integral gewalzten Rippenrohren werden berippte Rohre verstanden, bei denen die Rippen aus dem Wandungsmaterial eines Glattrohres geformt wurden. Es sind hierbei verschiedene Verfahren bekannt, mit denen die zwischen benachbarten Rippen befindlichen Kanäle derart verschlossen werden, daß Verbindungen zwischen Kanal und Umgebung in Form von Poren oder Schlitzen bleiben. Da die Öffnung der Poren oder Schlitze kleiner ist als die Breite der Kanäle, stellen die Kanäle geeignet geformte Hohlräume dar, die Bildung und Stabilisierung von Blasenkeimstellen begünstigen. Insbesondere werden solche im wesentlichen geschlossene Kanäle durch Umbiegen oder Umlegen der Rippe (US 3.696.861, US 5.054.548), durch Spalten und Stauchen der Rippe (DE 2.758.526, US 4.577.381), und durch Kerben und Stauchen der Rippe (US 4.660.630, EP 0.713.072, US 4.216.826) erzeugt.It is state of the art to base such structures of integrally rolled finned tubes. Under integral rolled finned tubes are understood to be finned tubes, where the fins are made of the wall material of a smooth tube were formed. There are different procedures here known with which the located between adjacent ribs Channels are closed in such a way that connections between channel and environment in the form of pores or slits stay. Because the opening of the pores or slits is smaller than the width of the channels, the channels represent suitably shaped Cavities represent the formation and stabilization of bladder germ sites favor. In particular, such are essentially closed channels by bending or folding the Rib (US 3,696,861, US 5,054,548), by splitting and upsetting the rib (DE 2,758,526, US 4,577,381), and by notches and Compression of the rib (US 4,660,630, EP 0.713.072, US 4,216,826) generated.
Die leistungsstärksten, kommerziell erhältlichen Rippenrohre für überflutete Verdampfer besitzen auf der Rohraußenseite eine Rippenstruktur mit einer Rippendichte von 55 bis 60 Rippen pro Zoll (US 5.669.441, US 5.697.430, DE 197 57 526). Dies entspricht einer Rippenteilung von ca. 0.45 bis 0.40 mm. Prinzipiell ist es möglich, die Leistungsfähigkeit derartiger Rohre durch eine noch höhere Rippendichte bzw. kleinere Rippenteilung zu verbessern, da hierdurch die Blasenkeimstellendichte erhöht wird. Eine kleinere Rippenteilung erfordert zwangsläufig gleichermaßen feinere Werkzeuge. Feinere Werkzeuge sind jedoch einer höheren Bruchgefahr und schnellerem Verschleiß unterworfen. Die derzeit verfügbaren Werkzeuge ermöglichen eine sichere Fertigung von Rippenrohren mit Rippendichten von maximal 60 Rippen pro Zoll. Ferner werden mit abnehmender Rippenteilung die Produktionsgeschwindigkeit der Rohre kleiner und folglich die Herstellungskosten höher.The most powerful, commercially available finned tubes for flooded evaporators on the outside of the tube a rib structure with a rib density of 55 to 60 Ribs per inch (US 5,669,441, US 5,697,430, DE 197 57 526). This corresponds to a rib pitch of approx. 0.45 to 0.40 mm. In principle it is possible to improve the performance of such Pipes through an even higher fin density or smaller fin pitch to improve, as this increases the density of the bladder germs is increased. A smaller rib division is required inevitably equally fine tools. Finer tools However, there is a higher risk of breakage and faster Subject to wear. The tools currently available enable a safe production of finned tubes with fin density of a maximum of 60 ribs per inch. Furthermore, with decreasing rib pitch the production speed of the Pipes are smaller and consequently the manufacturing costs are higher.
Es ist bekannt, daß leistungsgesteigerte Verdampfungsstrukturen bei gleichbleibender Rippendichte auf der Rohraußenseite erzeugt werden können, indem man den Grund der Nut zwischen den Rippen strukturiert. In EP 0.222.100 wird vorgeschlagen, den Grund der Nut mittels einer Kerbscheibe mit Eindrückungen zu versehen. Die Eindrückungen am Nutengrund können V-, trapez- oder halbkreisförmigen Querschnitt besitzen und stellen zusätzliche Blasenkeimstellen dar. Die durch derartige Strukturen insbesondere im Bereich kleiner Heizflächenbelastungen erzielbaren Leistungssteigerungen genügen jedoch nicht mehr den Anforderungen des Marktes. Ferner stellen die Eindrückungen eine Schwächung der Kernwand des Rohres dar und führen zu einer Reduzierung der mechanischen Stabilität des Rohres.It is known that increased evaporation structures with the same fin density on the outside of the pipe can be generated by placing the bottom of the groove between structured the ribs. EP 0.222.100 proposes the bottom of the groove by means of a notched disk with indentations to provide. The indentations on the bottom of the groove can be V-, Have a trapezoidal or semicircular cross-section additional bladder germ sites represent. The by such Structures especially in the area of small heating surface loads achievable performance increases are not sufficient more the demands of the market. Furthermore, the impressions a weakening of the core wall of the tube and lead to a reduction in the mechanical stability of the Tube.
Es soll ein leistungsgesteigertes Wärmeaustauscherrohr zur Verdampfung von Flüssigkeiten auf der Rohraußenseite bei gleichem rohrseitigen Wärmeübergang und Druckabfall sowie gleichen Herstellungskosten produziert werden. Die mechanische Stabilität des Rohres soll nicht negativ beeinflußt werden.It is said to be a performance-enhanced heat exchanger tube Evaporation of liquids on the outside of the pipe same tube-side heat transfer and pressure drop as well same manufacturing costs are produced. The mechanical The stability of the pipe should not be adversely affected.
Die Aufgabe wird bei einem Wärmeaustauscherrohr der genannten Art, bei dem im Bereich des Nutengrunds der zwischen den Rippen schraubenlinienförmig verlaufenden Primärnuten Aussparungen angeordnet sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Aussparungen in Form hinterschnittener Sekundärnuten ausgebildet sind. The task is the one mentioned in a heat exchanger tube Type in which the area between the Ribs of helical primary grooves are arranged, solved according to the invention, that the recesses in the form of undercut secondary grooves are trained.
Eine hinterschnittene Nut (siehe Fig. 1) liegt dann vor, wenn
- in einer Schnittebene ein nicht abgeschlossenes Gebiet X zu finden ist,
- dieses Gebiet X mittels einer Strecke AB abgeschlossen werden kann,
- eine Strecke PQ mit P, Q ∈ Rand von X gefunden wird, so daß PQ parallel zu AB und die Länge von PQ größer ist als die Länge von AB.
- an incomplete area X can be found in a sectional plane,
- this area X can be closed off by a route AB,
- a distance PQ with P, Q ∈ edge of X is found, so that PQ is parallel to AB and the length of PQ is greater than the length of AB.
Eine hinterschnittene Sekundärnut bietet für die Bildung und Stabilisierung von Blasenkeimstellen deutlich günstigere Bedingungen als die in EP 0.222.100 vorgeschlagenen, einfachen Eindrückungen. Die Lage der hinterschnittenen Sekundärnuten in der Nähe des primären Nutengrundes ist für den Verdampfungsprozeß besonders günstig, da am Nutengrund die Wandübertemperatur am größten ist und deshalb dort die höchste treibende Temperaturdifferenz für die Blasenbildung zur Verfügung steht.An undercut secondary groove provides for education and Stabilization of bladder germ sites much cheaper Conditions than the simple ones proposed in EP 0.222.100 Indentations. The location of the undercut secondary grooves in the proximity of the primary groove bottom is for the evaporation process Particularly favorable because the wall overtemperature at the bottom of the groove is largest and therefore the highest driving force there Temperature difference for blistering is available.
Die Ansprüche 2 bis 15 betreffen bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres.
Gemäß der Erfindung wird nach dem Ausformen der Rippen durch geeignete zusätzliche Werkzeuge Material aus dem Bereich der Rippenflanken zum Nutengrund hin verdrängt, so daß dort nicht ganz abgeschlossene Hohlräume entstehen, die die gewünschten hinterschnittenen Sekundärnuten darstellen. Die Hohlräume erstrecken sich vom primären Nutengrund zur Rippenspitze hin, wobei sie sich maximal bis 45% der Rippenhöhe H, typischerweise bis 20% der Rippenhöhe H ausdehnen. Die Rippenhöhe H wird dabei von der tiefsten Stelle des Nutengrunds, die durch die größte Walzscheibe ausgeformt wurde, bis zur Rippenspitze des vollständig geformten Rippenrohres gemessen. According to the invention, after the ribs have been formed, suitable additional tools material from the field of Rib flanks displaced towards the bottom of the groove, so that not there Completely closed cavities emerge that are the desired ones represent undercut secondary grooves. The cavities extend from the primary groove bottom to the tip of the rib, with a maximum of 45% of the rib height H, typically Extend to 20% of the rib height H. The rib height H is from the deepest part of the bottom of the groove through the largest roller was formed up to the tip of the rib of the fully formed finned tube measured.
Gegenstand der Erfindung sind gemäß der Ansprüche 16 bis 22
weiterhin verschiedene Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Wärmeaustauscherrohres.The invention relates to
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert:The invention is illustrated by the following examples explained in more detail:
Es zeigt:
- Fig.1:
- die Prinzipskizze einer hinterschnittenen Nut;
- Fig.2:
- schematisch die Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres mit hinterschnittenen Sekundärnuten, die auf der Rohraußenseite mit im wesentlichen konstanten Querschnitt schraubenlinienförmig umlaufen;
- Fig.3:
- eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres mit hinterschnittenen Sekundärnuten, die mit im wesentlichen konstanten Querschnitt schraubenlinienförmig umlaufen;
- Fig.4:
- schematisch die Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres mit schraubenlinienförmig verlaufenden, hinterschnittenen Sekundärnuten, deren Querschnitt in regelmäßigen Abständen variiert ist;
- Fig.5:
- eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres mit schraubenlinienförmig verlaufenden, hinterschnittenen Sekundärnuten, deren Querschnitt in regelmäßigen Abständen variiert ist;
- Fig.6:
- schematisch die Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres mit hinterschnittenen Sekundärnuten, die im wesentlichen quer zur Richtung der Primärnuten verlaufen;
- Fig.7:
- eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres mit hinterschnittenen Sekundärnuten, die im wesentlichen quer zur Richtung der Primärnuten verlaufen;
- Fig.8:
- das Foto einer erfindungsgemäßen hinterschnittenen Sekundärnut am Nutengrund, die mit im wesentlichen konstanten Querschnitt schraubenlinienförmig umläuft;
- Fig.9:
- ein Diagramm, das den Leistungsvorteil durch die hinterschnittenen Sekundärnut am Nutengrund dokumentiert.
- Fig.1:
- the schematic diagram of an undercut groove;
- Figure 2:
- schematically the production of a heat exchanger tube according to the invention with undercut secondary grooves, which run on the outside of the tube with a substantially constant cross-section helically;
- Figure 3:
- a partial view of a heat exchanger tube according to the invention with undercut secondary grooves, which run with a substantially constant cross section helically;
- Figure 4:
- schematically the production of a heat exchanger tube according to the invention with helical, undercut secondary grooves, the cross section of which is varied at regular intervals;
- Figure 5:
- a partial view of a heat exchanger tube according to the invention with helical, undercut secondary grooves, the cross section of which is varied at regular intervals;
- Figure 6:
- schematically the production of a heat exchanger tube according to the invention with undercut secondary grooves, which run essentially transversely to the direction of the primary grooves;
- Figure 7:
- a partial view of a heat exchanger tube according to the invention with undercut secondary grooves, which extend substantially transversely to the direction of the primary grooves;
- Figure 8:
- the photo of an undercut secondary groove according to the invention on the groove base, which revolves in a helical manner with a substantially constant cross section;
- Figure 9:
- a diagram that documents the performance advantage through the undercut secondary groove on the groove base.
Das integral gewalzte Rippenrohr 1 nach Figuren 2 bis 7 weist
auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufende Rippen
3 auf, zwischen denen eine Primärnut 4 gebildet ist. Material
der Rippenflanken 5 wird geeignet verlagert, so daß im Bereich
des Nutengrunds 6 nicht ganz abgeschlossene Hohlräume 7 entstehen,
die die erfindungsgemäßen hinterschnittenen Sekundärnuten
darstellen. Material der Rippenspitzen 8 ist derart
verlagert, daß die Rippenzwischenräume unter Ausbildung von
Kanälen 9 bis auf Poren 26 geschlossen werden.The integrally rolled finned tube 1 according to FIGS. 2 to 7 has
on the outside of the tube
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Rippenrohres erfolgt durch einen Walzvorgang (vgl. US-PSen 1.865.575 / 3.327.512) mittels der in Figuren 2/4/6 dargestellten Vorrichtungen. The finned tube according to the invention is produced by a rolling process (see US Pat. Nos. 1,865,575 / 3,327,512) by means of the devices shown in Figures 2/4/6.
Es wird eine Vorrichtung verwendet, die aus n = 3 oder 4
Werkzeughaltern 10 besteht, in die jeweils ein Walzwerkzeug 11
integriert ist. Die Werkzeughalter 10 sind jeweils um 360°/n
versetzt am Umfang des Rippenrohres angeordnet. Die Werkzeughalter
10 sind radial zustellbar. Sie sind ihrerseits in
einem ortsfesten (nicht dargestellten) Walzkopf angeordnet.A device is used which consists of n = 3 or 4
Das in Pfeilrichtung in die Vorrichtung einlaufende Glattrohr
2 wird durch die am Umfang angeordneten, angetriebenen Walzwerkzeuge
11 in Drehung versetzt, wobei die Achsen der Walzwerkzeuge
11 schräg zur Rohrachse verlaufen. Die Walzwerkzeuge
11 bestehen in an sich bekannter Weise aus mehreren nebeneinander
angeordneten Walzscheiben 12, deren Durchmesser in
Pfeilrichtung ansteigt. Die zentrisch angeordneten Walzwerkzeuge
11 formen die schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen
3 aus der Rohrwandung des Glattrohrs 2, wobei in der Umformzone
die Rohrwandung durch einen Walzdorn 27 unterstützt wird.
Der Walzdorn 27 kann profiliert sein. Der längs zur Rohrachse
gemessene Abstand der Mitten zweier benachbarter Rippen wird
als Rippenteilung T bezeichnet. Die Walzscheiben sind an ihrem
äußeren Umfang derart profiliert, daß die geformten Rippen 3
im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt besitzen. Lediglich
im Übergangsbereich 13 zwischen Rippenflanke 5 und Nutengrund
6 weicht die Rippe von der idealen Trapezform ab. Dieser
Übergangsbereich 13 wird üblicherweise als Rippenfuß bezeichnet.
Der dort gebildete Radius ist erforderlich, um einen
ungehinderten Werkstofffluß während der Rippenausformung zu
ermöglichen.The smooth pipe entering the device in the direction of the
Nach der Ausformung der im wesentlichen trapezförmigen Rippen
3 durch das Walzwerkzeug 11 werden im Bereich des Grunds 6 der
Primärnuten 4 die erfindungsgemäßen, hinterschnittenen Sekundärnuten
7 erzeugt. Hierbei können drei verschiedene Ausführungsformen
Anwendung finden: After the formation of the essentially
Nach der letzten Scheibe des Walzwerkzeugs 11 befindet sich
eine zylindrische Scheibe 14 im Eingriff, deren Durchmesser
kleiner ist als der Durchmesser der größten Walzscheibe (Fig.
2). Die Dicke D dieser zylindrischen Scheibe 14 ist etwas
größer als die Breite B der von den Walzscheiben 12 geformten
Primärnut 4, wobei hier die Breite B der Primärnut 4 an der
Stelle gemessen wird, an der die Rippenflanke 5 in den Radiusbereich
des Rippenfußes 13 übergeht. Typischerweise beträgt
die Dicke D der zylindrischen Scheibe 50% bis 80% der Rippenteilung
T. Die zylindrische Scheibe 14 verdrängt Material von
der Rippenflanke 5 zum Nutengrund 6 hin. Das verdrängte Material
wird durch die geeignete Wahl der Werkzeuggeometrie
derart verlagert, daß es über dem Nutengrund 6 Materialvorsprünge
15 bildet und unmittelbar am Nutengrund 6 somit ein
nicht ganz abgeschlossener Hohlraum 7 entsteht (Fig. 3).
Dieser Hohlraum 7 verläuft in Umfangsrichtung mit nahezu
gleichbleibendem Querschnitt. Der Hohlraum 7 stellt eine
erfindungsgemäße, hinterschnittene Sekundärnut dar.After the last disc of the rolling
Es kann sich als zweckmäßig erweisen, die Scheibe 14 auf ihrer
Mantelfläche entlang ihres Umfangs mit einem vollständig oder
abschnittsweise konkaven Profil zu versehen, um so die Verdrängung
des Materials der Rippenflanke 5 zu begünstigen.It may prove useful to have the
Da der Durchmesser der zylindrischen Scheibe 14 kleiner ist
als der Durchmesser der größten Walzscheibe des Walzwerkzeugs
11, wird die tiefste Stelle des primären Nutengrunds 6 durch
die zylindrische Scheibe 14 nicht bearbeitet. Die Rohrwandung
18 wird demnach bei der Formung der hinterschnittenen Sekundärnuten
7 nicht geschwächt. Since the diameter of the
Diese Ausführungsform stellt eine Erweiterung von Ausführungsform
1 dar: Nach der zylindrischen Scheibe 14 befindet sich
bei der zweiten Ausführungsform eine zahnradartige Kerbscheibe
16 im Eingriff, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser
der zylindrischen Scheibe 14, höchstens jedoch so groß
wie der Durchmesser der größten Walzscheibe des Walzwerkzeugs
11 (Fig. 4). Der von der zylindrischen Scheibe 14 geformte, in
Umfangsrichtung mit gleichbleibendem Querschnitt verlaufende
Hohlraum wird durch die Kerbscheibe 16 durch in Umfangsrichtung
regelmäßig angeordnete Eindrückungen 17 unterteilt. Es
entstehen somit in Umfangsrichtung umlaufende, hinterschnittene
Sekundärnuten 7, deren Querschnitt in regelmäßigen Abständen
variiert ist (Fig. 5). Die Kerbscheibe 16 kann gerade
oder schräg verzahnt sein.This embodiment is an extension of the embodiment
1 represents: After the
Da der Durchmesser der zahnradartigen Kerbscheibe 16 nicht
größer ist als der Durchmesser der größten Walzscheibe des
Walzwerkzeugs 11, wird die tiefste Stelle des primären Nutengrunds
6 durch die zahnradartige Kerbscheibe 16 nicht weiter
vertieft. Die Rohrwandung 18 wird demnach bei der Formung der
hinterschnittenen Sekundärnuten 7 gemäß Ausführungsform 2
nicht geschwächt.Since the diameter of the gear-like notched
Nach der letzten Scheibe des Walzwerkzeugs 11 befindet sich
eine zahnradartige Kerbscheibe 19 im Eingriff, wobei der
Durchmesser der Kerbscheibe 19 höchstens so groß ist wie der
Durchmesser der größten Walzscheibe (Fig. 6). Die Dicke D' der
Kerbscheibe 19 ist etwas größer als die Breite B der von den
Walzscheiben 12 geformten Primärnut 4, wobei hier die Breite
B der Primärnut 4 an der Stelle gemessen wird, an der die
Rippenflanke 5 in den Radiusbereich des Rippenfußes 13 übergeht.
Typischerweise beträgt die Dicke D' dieser Kerbscheibe
50% bis 80% der Rippenteilung T. Die Kerbscheibe 19 kann
gerade oder schräg verzahnt sein. Die Kerbscheibe 19 verdrängt
Material aus dem Bereich der Rippenflanken 5 sowie aus dem
Radiusbereich am Rippenfuß 13 und hinterläßt dort von einander
beabstandete Eindrückungen 20. Das verdrängte Material wird
vorzugsweise in die unbearbeiteten Bereich zwischen den einzelnen
Eindrückungen 20 verlagert, so daß dort ausgeprägte
Dämme 21 am Nutengrund 6 entstehen, die quer zu den primären
Nuten 4 zwischen den Rippen 3 verlaufen. Die nun folgende
Überwalzscheibe 22 konstanten Durchmessers verformt die oberen
Bereiche dieser Dämme 21 in Richtung des Rohrumfangs, so daß
zwischen den verformten oberen Bereichen 23 der Dämme 21 und
dem Nutengrund 6 kleine Hohlräume 7 zwischen zwei benachbarten
Dämmen 21 gebildet werden (Fig. 7). Diese Hohlräume 7 stellen
die erfindungsgemäßen, hinterschnittenen Sekundärnuten dar.
Der Durchmesser der Überwalzscheibe 22 muß kleiner gewählt
werden als der Durchmesser der Grundkerbscheibe 19.After the last disc of the rolling
Da der Durchmesser der zahnradartigen Kerbscheibe 19 nicht
größer ist als der Durchmesser der größten Walzscheibe des
Walzwerkzeugs 11, wird die tiefste Stelle des primären Nutengrunds
6 durch die zahnradartige Kerbscheibe 19 nicht weiter
vertieft. Die Rohrwandung 18 wird demnach bei der Formung der
hinterschnittenen Sekundärnuten 7 gemäß Ausführungsform 3
nicht geschwächt.Since the diameter of the gear-like notched
Nachdem die hinterschnittenen Sekundärnuten 7 am Nutengrund 6
erzeugt wurden, werden die Rippenspitzen 8 mittels einer
zahnradartigen Kerbscheibe 24 gekerbt. Dies ist in den Figuren
2/4/6 dargestellt. Anschließend erfolgt das Stauchen der
gekerbten Rippenspitzen durch eine oder mehrere Stauchrollen
25. Die Rippen 3 erhalten so einen im wesentlichen T-förmigen
Querschnitt, und die Nuten 9 zwischen den Rippen 3 werden bis
auf Poren 26 verschlossen (Siehe Figuren 3/5/7). After the undercut
Die Rippenhöhe H wird am fertigen Rippenrohr 1 von der tiefsten
Stelle des Nutengrunds 6 bis zur Rippenspitze des vollständig
geformten Rippenrohres gemessen.The fin height H is the lowest on the finished finned tube 1
Place the bottom of the
Die erfindungsgemäßen, hinterschnittenen Sekundärnuten 7 am
Grund 6 der Primärnuten 4 erstrecken sich vom Nutengrund 6 zur
Rippenspitze hin, wobei sie sich maximal bis 45% der Rippenhöhe
H, typischerweise bis 20% der Rippenhöhe H ausdehnen.The undercut
Fig. 8 zeigt das Foto einer erfindungsgemäßen, hinterschnittenen
Sekundärnut 7 am Nutengrund 6. Die Schnittebene ist senkrecht
zur Umfangsrichtung des Rohres. Es ist hier ein Beispiel
nach Ausführungsform 1 dargestellt. Die erkennbare Asymmetrie
der Struktur ist durch unvermeidbare Toleranzen bei Werkzeugund
Vormaterialabmessungen bedingt. Die Vorsprünge 15 bestehen
aus Material, das von den Rippenflanken 5 zum Nutengrund 6 hin
verlagert wurde.8 shows the photo of an undercut according to the invention
Fig. 9 zeigt im Vergleich das Leistungsverhalten zweier strukturierter Rohre bei Verdampfung des Kältemittels R-134a auf der Rohraußenseite, wobei eines der Rohre mit hinterschnittenen Sekundärnuten am Nutengrund ausgeführt wurde. Dargestellt ist der äußere Wärmeübergangskoeffizient über der Heizflächenbelastung. Die Sättigungstemperatur beträgt hierbei 14.5 °C. Man erkennt, daß durch die hinterschnittenen Sekundärnuten am Nutengrund ein Leistungsvorteil erreicht wird, der bei kleinen Heizflächenbelastungen über 30%, bei großen Heizflächenbelastungen ca. 20% beträgt.Fig. 9 shows the performance of two structured in comparison Pipes on the evaporation of the refrigerant R-134a the outside of the pipe, one of the pipes with undercut Secondary grooves on the groove base was carried out. shown is the external heat transfer coefficient above the heating surface load. The saturation temperature is 14.5 ° C. It can be seen that the undercut secondary grooves on A performance advantage is achieved that is small Heating surface loads over 30%, with large heating surface loads is about 20%.
Strukturen mit hinterschnittenen Sekundärnuten am Nutengrund werden auch in EP 0.522.985 vorgeschlagen. Hierbei befindet sich die Struktur jedoch auf der Innenseite eines Rohres. Um die mechanische Stabilität derartiger Rohre insbesondere beim Aufweiten der Rohre zu gewährleisten, müssen die Sekundärnuten möglichst flach gestaltet sein. Dies wird durch die in EP 0.522.985 beschriebene, spitzwinklige Geometrie der Sekundärnuten erreicht. Bei rohrseitiger Verdampfung von Kältemitteln herrscht im Rohr üblicherweise ein höherer Druck als auf der Rohraußenseite. Unter Innendruckbelastung geht aufgrund der Kerbwirkung von den spitzwinkligen Rändern der Sekundärnuten eine erhöhte mechanische Belastung auf die Wand des Rohres aus. Dies muß durch eine dickere Rohrwandung kompensiert werden. Dieser Sicherheitszuschlag in der Rohrwandung führt jedoch zu einem erhöhten Materialeinsatz und damit zu erhöhten Kosten.Structures with undercut secondary grooves on the bottom of the groove are also proposed in EP 0.522.985. Here is however, the structure is on the inside of a pipe. Around the mechanical stability of such pipes in particular To ensure expansion of the pipes, the secondary grooves be as flat as possible. This is through the in EP 0.522.985 described acute-angled geometry of the secondary grooves reached. In the case of evaporation of refrigerants on the pipe side there is usually a higher pressure in the pipe than on the outside of the pipe. Under internal pressure is due to the notch effect from the acute-angled edges of the Secondary grooves an increased mechanical load on the wall of the pipe. This must be compensated for by a thicker tube wall become. This safety margin in the pipe wall however leads to an increased use of materials and thus to increased costs.
Bei der hier vorgeschlagenen Gestaltung der hinterschnittenen
Sekundärnuten 7 im Bereich des primären Nutengrunds 6 auf der
Außenseite von berippten Rohren findet jedoch keine Schwächung
der Rohrwandung 18 statt, da zur Bildung der Sekundärnuten 7
ausschließlich Material aus dem Bereich der Rippenflanken 5
und eventuell aus dem Radiusbereich 13 oberhalb des Nutengrunds
6 verwendet wird.In the undercut design proposed here
Claims (22)
deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der größten Walzscheibe (12) und deren Dicke D mindestens 50 % und höchstens 80 % der Rippenteilung T beträgt.Method according to claim 16 for producing a heat exchanger tube according to claim 5, characterized in that the radial pressure in method step c) is generated by means of a cylindrical disk (14),
whose diameter is smaller than the diameter of the largest roller disc (12) and whose thickness D is at least 50% and at most 80% of the fin pitch T.
in dem der Nutengrund (6) durch weiteren radialen Druck mittels einer zahnradartigen Kerbscheibe (16),
deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der zylindrischen Scheibe (14), maximal jedoch so groß wie der Durchmesser der größten Walzscheibe (12), stellenweise derart verformt wird,
daß in Umfangsrichtung regelmäßig voneinander beabstandete Eindrückungen (17) entstehen. Method according to claim 17 for producing a heat exchanger tube according to claim 6, characterized in that method step c) is followed by method step d),
in which the base of the groove (6) by further radial pressure by means of a toothed-wheel-type notched disk (16),
whose diameter is larger than the diameter of the cylindrical disc (14), but at most as large as the diameter of the largest roller disc (12), is deformed in places in this way,
that in the circumferential direction regularly spaced indentations (17) arise.
deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der größten Walzscheibe (12), wodurch voneinander beabstandete Eindrückungen (20) entstehen, und
daß der Verfahrensschritt d') folgt,
in dem durch weiteren radialen Druck mittels einer zylindrischen Überwalzscheibe (22) die hinterschnittenen Sekundärnuten (7) erzeugt werden.Method according to claim 16 for producing a heat exchanger tube according to claim 7, characterized in that the radial pressure in method step c ') is generated by means of a toothed-wheel-type notched disk (19),
the diameter of which is smaller than the diameter of the largest roller disk (12), as a result of which indentations (20) spaced apart from one another are produced, and
that step d ') follows,
in which the undercut secondary grooves (7) are produced by further radial pressure using a cylindrical roller plate (22).
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