EP1223400B1 - Wärmeaustauscherrohr und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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EP1223400B1
EP1223400B1 EP02000425A EP02000425A EP1223400B1 EP 1223400 B1 EP1223400 B1 EP 1223400B1 EP 02000425 A EP02000425 A EP 02000425A EP 02000425 A EP02000425 A EP 02000425A EP 1223400 B1 EP1223400 B1 EP 1223400B1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
exchanger tube
tube according
fins
metal heat
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EP02000425A
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English (en)
French (fr)
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EP1223400A2 (de
EP1223400A3 (de
Inventor
Andreas Dr. Dipl.-Phys. Beutler
Manfred Dipl.-Ing. Knab
Andreas Dipl.-Ing. Knöpfler
Axel Dipl.-Ing. Kriegsmann (Fh)
Klaus Dipl.-Ing. Menze
Gerhard Dr.-Ing. Schüz
Andreas Dipl.-Ing. Schwitalla
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Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
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Publication date
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Publication of EP1223400A3 publication Critical patent/EP1223400A3/de
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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
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • B21C37/15—Making tubes of special shape; Making tube fittings
    • 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
    • B21C37/207—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 with helical guides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/42—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F1/422—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element with outside means integral with the tubular element and inside means integral with the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/182—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing especially adapted for evaporator or condenser surfaces
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y10T29/49377—Tube with heat transfer means
    • Y10T29/49378—Finned tube
    • Y10T29/49385—Made from unitary workpiece, i.e., no assembly

Definitions

  • the invention relates to a metallic heat exchanger tube, in particular for the evaporation of liquids from pure substances or mixtures on the tube outside, according to the preamble of claim 1.
  • Evaporation occurs in many areas of refrigeration and air conditioning technology as well as in process and energy technology.
  • Tube heat exchangers are frequently used in industry in which liquids of pure substances or mixtures on the outside of the tube evaporate, cooling a brine or water on the inside of the tube.
  • Such apparatuses are referred to as flooded evaporators.
  • the size of the evaporator can be greatly reduced. As a result, the production costs of such apparatuses decrease.
  • the necessary filling quantity of refrigerant which can account for a not inconsiderable share of the total investment costs in today's predominantly used chlorine-free safety refrigerants, is decreasing. In the case of toxic or flammable refrigerants, the danger potential can be reduced by reducing the filling quantity.
  • the standard high performance pipes today are about three times more efficient than smooth pipes of the same diameter.
  • the present invention relates to structured pipes in which the heat transfer coefficient is intensified on the pipe outside.
  • the heat transfer coefficient on the inside usually also needs to be intensified.
  • An increase in the heat transfer on the inside of the pipe usually results in an increase in the pipe-side pressure drop.
  • Heat exchanger tubes for shell and tube heat exchangers usually have at least one structured area and smooth end pieces and possibly smooth spacers.
  • the smooth end or intermediate pieces limit the structured areas. So that the tube can be easily installed in the shell and tube heat exchanger, the outer diameter of the structured areas must not be greater than the outer diameter of the smooth end and intermediate pieces.
  • nucleation sites are usually small gas or steam inclusions. Such nucleation sites can already be produced by roughening the surface. When the growing bubble reaches a certain size, it detaches from the surface. If in the course of bladder detachment the germinal site is flooded by inflowing liquid, the gas or vapor inclusion may be displaced by liquid. In this case, the germinal site is inactivated. This can be avoided by a suitable design of the germinal sites. For this purpose, it is necessary that the opening of the nucleus is smaller than that under the Opening cavity.
  • Integrally rolled finned tubes are understood to mean finned tubes in which the fins have been formed from the wall material of a smooth tube.
  • various methods are known with which the channels located between adjacent ribs are closed in such a way that connections between the channel and the surroundings remain in the form of pores or slots. Since the opening of the pores or slots is smaller than the width of the channels, the channels are suitably shaped cavities that promote formation and stabilization of nucleation sites.
  • substantially closed channels are formed by bending or flipping the rib (US 3,696,861, US 5,054,548), splitting and upsetting the fin (DE 2,758,526, US 4,577,381), and notching and upsetting the rib (US 4,660,630, EP 0,713,072, US 4,216,826).
  • the object is achieved according to the invention in a heat exchanger tube of the type mentioned, in which recesses are arranged in the region of the groove bottom of the helically extending primary grooves between the ribs, that the recesses are formed in the form of undercut secondary grooves.
  • An undercut secondary groove offers significantly better conditions for the formation and stabilization of bubble nuclei than the simple indentations proposed in EP 0.222.100.
  • the location of the undercut secondary grooves in the vicinity of the primary groove bottom is particularly favorable for the evaporation process, since at the groove bottom, the Wandübertemperatur is greatest and therefore there is the highest driving temperature difference for the bubble formation available.
  • Claims 2 to 14 relate to preferred embodiments of the heat exchanger tube according to the invention.
  • the ribs after the ribs have been formed by suitable additional tools, material is displaced from the region of the rib flanks toward the groove bottom, so that incomplete cavities are formed there, which represent the desired undercut secondary grooves.
  • the cavities extend from the primary groove bottom to the fin tip, extending to at most 45% of the fin height H, typically up to 20% of the fin height H.
  • the rib height H is thereby measured from the deepest point of the groove bottom, which was formed by the largest rolling disk, to the fin tip of the completely shaped finned tube.
  • the invention further provides, according to claims 15 to 20, various processes for the production of the heat exchanger tube according to the invention.
  • the integrally rolled finned tube 1 according to FIGS. 2 to 7 has helical circumferential ribs 3 on the tube outside, between which a primary groove 4 is formed.
  • Material of the rib flanks 5 is suitably displaced, so that in the region of the groove bottom 6 not completely closed cavities 7 are formed, which constitute the undercut secondary grooves according to the invention.
  • Material of the rib tips 8 is displaced such that the rib gaps are closed to form channels 9 to pores 26.
  • the production of the finned tube according to the invention takes place by means of a rolling process (cf., US Pat. Nos. 1,865,575 / 3,327,512) by means of the devices shown in FIGS.
  • the tool holder 10 are each arranged offset by 360 ° / n on the circumference of the finned tube.
  • the tool holder 10 are radially deliverable. They are in turn arranged in a stationary (not shown) rolling head.
  • the smooth tube 2 which enters the device in the direction of the arrow, is set in rotation by the driven rolling tools 11 arranged on the circumference, the axes of the rolling tools 11 running obliquely to the tube axis.
  • the rolling tools 11 consist in a conventional manner of several juxtaposed rolling disks 12 whose diameter increases in the direction of the arrow.
  • the centrally arranged rolling tools 11 form the helically extending ribs 3 from the tube wall of the smooth tube 2, wherein in the forming zone, the tube wall is supported by a rolling mandrel 27.
  • the rolling mandrel 27 can be profiled.
  • the distance between the centers of two adjacent ribs measured along the tube axis is referred to as the rib pitch T.
  • the rolling discs are profiled on their outer periphery so that the shaped ribs 3 have a substantially trapezoidal cross-section. Only in the transition region 13 between rib edge 5 and groove bottom 6, the rib deviates from the ideal trapezoidal shape. This transition region 13 is commonly referred to as Rippenfuß. The radius formed there is required to allow an unobstructed flow of material during the rib formation.
  • the undercut secondary grooves 7 are produced in the region of the base 6 of the primary grooves 4.
  • Three different embodiments can be used here:
  • a cylindrical disc 14 is engaged, whose diameter is smaller than the diameter of the largest rolling disc (Fig. 2).
  • the thickness D of this cylindrical disk 14 is slightly larger than the width B of the primary groove 4 formed by the rolling disks 12, in which case the width B of the primary groove 4 is measured at the point at which the rib edge 5 merges into the radius region of the rib foot 13.
  • the thickness D of the cylindrical disc is 50% to 80% of the rib pitch T.
  • the cylindrical disc 14 displaces material from the rib flank 5 towards the groove bottom 6.
  • the displaced material is displaced by the appropriate choice of the tool geometry such that it forms over the groove bottom 6 material projections 15 and thus directly on the groove base 6, a not completely closed cavity 7 is formed (Fig. 3).
  • This cavity 7 extends in the circumferential direction with a nearly constant cross-section.
  • the cavity 7 constitutes an undercut secondary groove according to the invention.
  • the disc 14 may prove expedient to provide the disc 14 on its lateral surface along its circumference with a completely or partially concave profile, so as to favor the displacement of the material of the rib flank 5.
  • This embodiment is an extension of embodiment 1: After the cylindrical disc 14 is in the second embodiment, a gear-like notching disc 16 is engaged, the diameter of which is larger than the diameter of the cylindrical disc 14, but at most as large as the diameter of the largest rolled disc of the rolling tool 11 (Fig. 4).
  • the formed by the cylindrical disc 14, extending in the circumferential direction with constant cross-section cavity is divided by the notch disc 16 by circumferentially regularly arranged indentations 17.
  • circumferential, undercut secondary grooves 7, whose cross-section is varied at regular intervals arise in the circumferential direction (FIG. 5).
  • the notching disc 16 may be straight or obliquely toothed.
  • the thickness D 'of the notching disc 19 is slightly larger than the width B of the primary discs 4 formed by the rolling discs 12, in which case the width B of the primary groove 4 is measured at the point at which the rib edge 5 merges into the radius range of the rib foot 13.
  • the thickness D 'of this notch disc 50% to 80% of the rib pitch T.
  • the notching disc 19 may be straight or obliquely toothed.
  • the notching disc 19 displaces material from the region of the rib flanks 5 and from the radius region at the rib base 13 and leaves there spaced from each other indentations 20.
  • the displaced material is preferably displaced in the unprocessed area between the indentations 20, so that there pronounced dams 21 am Groove base 6 arise, which extend transversely to the primary grooves 4 between the ribs 3.
  • the now following roll plate 22 of constant diameter deforms the upper portions of these dams 21 in the direction of the tube circumference, so that between the deformed upper portions 23 of the dams 21 and the groove bottom 6 small cavities 7 between two adjacent dams 21 are formed (Fig. 7). These cavities 7 represent the undercut secondary grooves according to the invention.
  • the diameter of the roll-over disc 22 must be selected to be smaller than the diameter of the base notch disc 19.
  • the rib tips 8 are notched by means of a gear-type notching disc 24. This is shown in Figures 2/4/6. Subsequently, the upsetting of the notched rib tips by one or more compression rollers 25. The ribs 3 are thus given a substantially T-shaped cross-section, and the grooves 9 between the ribs 3 are closed except for pores 26 (see Figures 3/5/7) ,
  • the fin height H is measured on the finished finned tube 1 from the lowest point of the groove bottom 6 to the fin tip of the fully formed finned tube.
  • the undercut secondary grooves 7 according to the invention at the base 6 of the primary grooves 4 extend from the groove bottom 6 to the rib tip, extending to a maximum of 45% of the rib height H, typically up to 20% of the rib height H.
  • FIG. 8 shows the photograph of an undercut secondary groove 7 according to the invention on the groove bottom 6.
  • the sectional plane is perpendicular to the circumferential direction of the tube.
  • Embodiment 1 an example according to Embodiment 1 is shown.
  • the apparent asymmetry of the structure is due to unavoidable tolerances in tooling and pre-material dimensions.
  • the projections 15 are made of material which has been displaced from the rib flanks 5 to the groove bottom 6.
  • FIG. 9 shows in comparison the performance of two structured tubes on evaporation of the refrigerant R-134a on the outside of the tube, one of the tubes having undercut secondary grooves being made on the groove bottom. Shown is the external heat transfer coefficient over the Schuvinbelastung. The saturation temperature is 14.5 ° C. It can be seen that a performance advantage is achieved by the undercut secondary grooves at the bottom of the groove, which is about 30% for small Bankmatibelastache, with large Bank perennial marlastache about 20%.

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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.
  • 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.
  • Durch die Intensivierung des Wärmeübergangs auf der Rohraußen- und 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.
    • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die leistungsstärksten, kommerziell erhältlichen Rippenrohre für überflutete Verdampfer besitzen auf der Rohraußenseite eine Rippenstruktur mit einer Rippendichte von 55 bis 60 Rippen pro 2,54 cm (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 2,54 cm (Zoll). Ferner werden mit abnehmender Rippenteilung die Produktionsgeschwindigkeit der Rohre kleiner und folglich die Herstellungskosten höher.
  • 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.
    • Aufgabenstellung:
  • 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.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Ansprüche 2 bis 14 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.
  • Gegenstand der Erfindung sind gemäß der Ansprüche 15 bis 20 weiterhin verschiedene Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres.
    • Detaillierte Beschreibung:
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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:
    • Ausführungsform 1:
  • 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.
  • 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.
  • 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.
    • Ausführungsform 2:
  • 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.
  • 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.
    • Ausführungsform 3:
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • Die Rippenhöhe H wird am fertigen Rippenrohr 1 von der tiefsten Stelle des Nutengrunds 6 bis zur Rippenspitze des vollständig geformten Rippenrohres gemessen.
  • 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.
  • 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 Werkzeug- und Vormaterialabmessungen bedingt. Die Vorsprünge 15 bestehen aus Material, das von den Rippenflanken 5 zum Nutengrund 6 hin verlagert wurde.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (20)

  1. Metallisches Wärmeaustauscherrohr, insbes. zur Verdampfung von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohraußenseite, mit auf der Rohraußenseite ausgeformten integralen Rippen (3), deren Fuß (13) im wesentlichen radial von der Rohrwandung (18) absteht, wobei die Rippen (3) einen im wesentlichen T-förmigen Querschnitt aufweisen, und wobei im Bereich des Nutengrundes (6) der zwischen den Rippen (3) verlaufenden Primärnuten (4) Aussparungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen in Form hinterschnittener Sekundärnuten (7) ausgebildet sind.
  2. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Rippen (3) und die Primärnuten (4) schraubenlinienförmig verlaufen.
  3. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Rippen (3) und die Primärnuten (4) ringförmig verlaufen.
  4. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Rippen (3) und die Primärnuten (4) in Axialrichtung verlaufen.
  5. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
    daß die hinterschnittenen Sekundärnuten (7) mit im wesentlichen konstantem Querschnitt in Richtung der Primärnuten (4) verlaufen.
  6. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 2, 3 oder
    4, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Querschnitt der in Richtung der Primärnuten (4) verlaufenden, hinterschnittenen Sekundärnuten (7) in regelmäßigen Abständen variiert ist.
  7. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 2, 3 oder
    4, dadurch gekennzeichnet,
    daß die hinterschnittenen Sekundärnuten (7) im wesentlichen quer zur Richtung der Primärnuten (4) verlaufen.
  8. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß sich die hinterschnittenen Sekundärnuten (7) maximal bis 45 % der Rippenhöhe H ausdehnen.
  9. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
    daß sich die hinterschnittenen Sekundärnuten (7) maximal bis 20 % der Rippenhöhe H ausdehnen.
  10. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (3) eine gleichmäßige Höhe H aufweisen.
  11. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenspitzen (8) gekerbt sind.
  12. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es glatte Enden und/oder glatte Zwischenbereiche aufweist.
  13. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es als nahtloses Rohr ausgebildet ist.
  14. Metallisches Wärmeaustauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß es als längsnahtgeschweißtes Rohr ausgebildet ist.
  15. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschrohres nach Anspruch 2, bei dem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
    a) Auf der äußeren Oberfläche eines Glattrohres (2) werden schraubenlinienförmig verlaufende Rippen (3) herausgewalzt, indem das Rippenmaterial durch Verdrängen von Material aus der Rohrwandung nach außen mittels eines Walzvorgangs gewonnen wird und das entstehende Rippenrohr (1) durch die Walzkräfte in Drehung versetzt und/oder entsprechend den entstehenden Rippen (3) vorgeschoben wird, wobei die Rippen (3) mit ansteigender Höhe aus dem sonst unverformten Glattrohr (2) ausgeformt werden,
    b) das Glattrohr (2) wird durch einen darinliegenden Walzdorn (27) abgestützt,
    c) nach dem Herausformen der Rippen (3) wird durch radialen Druck Material von den Rippenflanken (5) und/oder aus dem Übergangsbereich (13) am Rippenfuß unter Ausbildung der hinterschnittenen Sekundärnuten (7) zum Nutengrund (6) verlagert.
    d) durch weiteren radialen Druck die Rippenspitzen (8) mittels mindestens einer Stauchrolle (25) zu einem im wesentlichen T-förmigen Querschnitt gestaucht werden.
  16. Verfahren nach Anspruch 15 zur Herstellung eines Wärmeaustauscherrohres nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
    daß der radiale Druck im Verfahrensschritt c) mittels einer zylindrischen Scheibe (14) erzeugt wird,
    deren Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der größten Walzscheibe (12) und deren Dicke D mindestens 50 % und höchstens 80 % der Rippenteilung T beträgt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16 zur Herstellung eines Wärmeaustauscherrohres nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß auf den Verfahrensschritt c) der Verfahrensschritt d) folgt, 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.
  18. Verfahren nach Anspruch 15 zur Herstellung eines Wärmeaustauscherrohres nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
    daß der radiale Druck im Verfahrensschritt c') mittels einer zahnradartigen Kerbscheibe (19) erzeugt wird,
    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.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet,
    daß jeweils eine gerade oder schräg verzahnte Kerbscheibe (16, 19) verwendet wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19 zur Herstellung eines Wärmeaustauscherrohres nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
    daß in einem weiteren Verfahrensschritt e) die Rippenspitzen (8) durch radialen Druck mittels einer zahnradartigen Kerbscheibe (24) gekerbt werden.
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