EP1312885B1 - Heat exchange tube structured on both sides and process for making same - Google Patents
Heat exchange tube structured on both sides and process for making same Download PDFInfo
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- EP1312885B1 EP1312885B1 EP02024655A EP02024655A EP1312885B1 EP 1312885 B1 EP1312885 B1 EP 1312885B1 EP 02024655 A EP02024655 A EP 02024655A EP 02024655 A EP02024655 A EP 02024655A EP 1312885 B1 EP1312885 B1 EP 1312885B1
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- 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
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- 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
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Definitions
- the invention relates to metallic, double-sided structured heat exchanger tubes, in particular finned tubes, according to the preamble of claim 1.
- Heat transfer occurs in many areas of refrigeration and air conditioning technology as well as in the Process and energy technology.
- tube bundle heat exchanger In many applications flows Here on the tube inside a liquid, which depends on the direction of the Heat flow is cooled or heated. The heat gets to the outside of the pipe the medium is discharged or withdrawn. It is booth the technique that in RohrbündeltageSem instead of smooth tubes on both sides structured tubes are used. As a result, the heat transfer on the inside of the pipe and on the outside of the pipe intensified. The transferred heat flux density is increased and the heat exchanger can be made more compact. Alternatively, the heat flow density can be maintained and the driving temperature difference be lowered, resulting in a more energy-efficient heat transfer is possible.
- Have structured heat exchanger tubes for tube bundle heat exchanger usually at least one structured area and smooth end pieces and possibly smooth spacers. Limit the smooth end or intermediate pieces the structured areas. So that the tube easily into the tube bundle heat exchanger can be installed, the outer diameter of the structured Areas should not be greater than the outer diameter of the smooth end and intermediate pieces.
- Heat exchanger tubes are known for example from US 3,861,462, the are structured on both sides. The structure is first rolled into strip material, which is then formed into a tube and welded to the butt joint.
- such are substantially closed Channels by bending or flipping 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 notching and swaging the rib (US 4,660,630, EP 0,713,072, US 4,216,826).
- the object of the invention is to provide both sides with structured heat exchanger tubes To produce increased performance internal structure, wherein the weight fraction of the Internal structure of the total weight of the pipe may not be higher than in conventional, helical internal ribs of constant cross section.
- the dimensions The internal and external structure of the finned tube must be independent of each other be adjustable.
- the task is solved in a heat exchanger tube of the type mentioned, in each of which adjacent inner ribs are separated by a parallel to the inner ribs extending primary groove, according to the invention, in that the inner ribs are crossed by secondary grooves running at a pitch angle ⁇ , measured against the pipe axis, the secondary grooves extend at an inclination angle ⁇ of 60-85 ° with respect to the inner ribs, that the depth T of the secondary grooves is at least 20% of the rib height H of the inner ribs, and the density of the intersections of inner ribs (20) and secondary grooves (22) is 90 to 250 points of intersection / cm 2 .
- the inner ribs now have no constant Cross section more. Following the course of the inner ribs, then changes the cross-sectional shape of the inner ribs at the locations of the secondary grooves.
- the Secondary grooves arise in the pipe side flowing medium additional vortex in close to the wall, which increases the heat transfer coefficient. It is Seeing that by adding secondary grooves the weight fraction of the Internal structure on the total weight of the pipe is not increased.
- the depth of the secondary grooves becomes radial from the top of the inner fin Direction measured.
- the depth of the secondary grooves is at least 20% of the Height of the inner ribs. If the depth of the secondary grooves is equal to the height of the Inner ribs, then arise on the inside of the tube spaced apart Structural elements similar to truncated pyramids.
- Claims 2 to 10 relate to preferred embodiments of the invention Heat exchanger tube.
- the invention further provides, according to claims 12 to 16, a Process for the preparation of the heat exchanger tube according to the invention.
- the Tool for forming the outer ribs in at least two spaced apart Rolled disc packages built.
- the internal structure is different by two profiled roll mandrels shaped.
- the first mandrel supports the pipe in the first forming area under the first roll disk package and forms first helical circumferential or axially parallel inner ribs, these Inner ribs initially have a constant cross-section.
- the second rolling mandrel supports the pipe in the second forming area under the second roll disk package larger diameter and shapes the secondary grooves according to the invention in the previously formed helical circumferential or paraxial ribs.
- the Depth of the secondary grooves is essentially determined by the choice of diameter set two mandrels.
- the integrally rolled finned tube 1 according to Figures 1 and 2 has on the tube outside helically encircling ribs 3 on.
- the preparation of the invention Finned tube is carried out by a rolling process (see US Patent Nos. 1,865,575 /3,327,512 and DE 23 03 172) by means of the device shown in Figure 1.
- the axis of the tool holder 10 is simultaneously the Axle of the two associated rolling tools 11 and 12 and it extends obliquely to Tube axis.
- the tool holder 10 are each offset by 360 ° / n at the periphery of Finned tube arranged.
- the tool holder 10 are radially deliverable. you are in turn arranged in a stationary (not shown) rolling head.
- the rolling head is fixed in the basic framework of the rolling device.
- the rolling tools 11 and 12 each consist of several juxtaposed rolling disks 13 and 14, whose diameter increases in the direction of the arrow.
- the rolling disks 14 of the second Rolling tool 12 thus have a larger diameter than the rolling disks 13 of the first rolling tool 11.
- the mandrels 15 and 16 are attached to the free end of a rod 9 and rotatably mounted to each other.
- the Rod 9 is attached at its other end to the skeleton of the rolling device.
- the mandrels 15 and 16 are in the working range of the rolling tools 11 and 12 to position.
- the rod 9 must be at least as long as the one to be produced Finned tube 1.
- the smooth tube 2 Prior to machining, the smooth tube 2 is used for undelivered rolling tools 11 and 12 almost completely over the mandrels 15 and 16 on the Pushed rod 9. Only the part of the smooth tube 2, the finished finned tube 1 is to form the first smooth end piece is not on the mandrels 15 and 16 pushed.
- the tube is arranged on the circumference, rotating Rolling tools 11 and 12 delivered to the smooth tube 2 radially and with the smooth tube 2 engaged.
- the smooth tube 2 is thereby rotated. Because the Axis of the rolling tools 11 and 12 is inclined to the tube axis, forming the Rolling tools 11 and 12 helically encircling ribs 3 from the Tube wall of the smooth tube 2 and push at the same time the resulting finned tube 1 corresponding to the pitch of the helical circumferential ribs 3 in FIG Arrow direction.
- the ribs 3 preferably run like a multi-start thread around. The distance between the centers of two adjacent ones measured along the tube axis Ribs are referred to as rib pitch p.
- the distance between the two Rolling tools 11 and 12 must be adapted so that the rolling disks 14 of the second rolling tool 12 engage in the grooves 4, which between the first Rolling tool 11 are shaped ribs 3a. Ideally, this distance is one integer multiple of the rib pitch p.
- the second rolling tool 12 then performs the further shaping of the outer ribs 3 away.
- the axes the two mandrels 15 and 16 are identical to the axis of the tube.
- the Mandrels 15 and 16 are profiled differently and the outer diameter of the second rolling mandrel 16 is at most as large as the outer diameter of the first Rolling mandrel 15.
- the outside diameter of the second rolling mandrel is 16 up to 0.8 mm smaller than the outer diameter of the first rolling mandrel 15.
- Das Profile of the mandrels usually consists of a variety of trapezoidal or nearly trapezoidal grooves parallel to each other on the outer surface of the Walzdorns are arranged. Located between two adjacent grooves Material of the rolling mandrel is referred to as web 19. The webs 19 have an im significant trapezoidal cross-section.
- the grooves are usually under a helix angle of 0 ° to 70 ° inclined to the axis of the mandrel. At the first rolling mandrel 15, this twist angle is denoted by ⁇ , and in the second rolling mandrel 16 by ⁇ .
- Twist angle 0 ° corresponds to the case that the grooves are parallel to the axis of the mandrel run. If the helix angle is different from 0 °, the grooves are helical. Helical grooves can be left-handed or right-handed be oriented.
- FIGS. 1 and 2 show the case that the first one Rolling mandrel 15 right-hand grooves 17 and the second rolling mandrel 16 left-hand grooves 18 has.
- the helix angles ⁇ and ⁇ can have equal amounts.
- both mandrels 15 and 16 have grooves 17 and 18 with the same direction.
- the helix angles ⁇ and ⁇ must differ in terms of their amount.
- the two mandrels 15 and 16 must be rotatably mounted to each other.
- the inner ribs 20 are opposite to the Pipe axis by the same angle ⁇ (pitch angle) inclined as the grooves 17 to Axis of the first rolling mandrel 15.
- the pitch angle of the inner ribs 20 is thus equal to the helix angle ⁇ of the first rolling mandrel 15.
- the height of the inner ribs 20 is denoted by H and is usually 0.15-0.40 mm.
- the inner ribs 20 pressed onto the second rolling mandrel 16. Since the grooves 18 of the second rolling mandrel 16 at a different angle to the dome axis and thus at a different angle to the Tube axis run as the grooves 17 of the first rolling mandrel 15, meet the inner ribs 20 in sections on a groove 18 or a web 19 of the second rolling mandrel 16. In the sections where an inner fin 20 meets a groove 18, the Material of the inner rib 20 pressed into the groove. In the sections where one Inner rib 20 meets a web 19, the fin material is deformed and it become parallel to each other secondary grooves 22 in the inner ribs 20th imprinted.
- the secondary grooves 22 According to the shape of the webs 19 of the second rolling mandrel 16 have the secondary grooves 22 a trapezoidal cross-section. Secondary grooves 22 coming from the the same web 19 are stamped into different inner ribs 20 are to each other arranged in alignment.
- the pitch angle that the secondary grooves 22 with the Form pipe axis is equal to the helix angle ⁇ , the grooves 18 of the second rolling mandrel 16 with the axis of the second rolling mandrel 16 include.
- the angle of inclination ⁇ which include the secondary grooves 22 with the inner ribs 20 results in roll mandrels 15 and 16 with the same direction orientation of the grooves 17 and 18 from the difference of the helix angle ⁇ and ⁇ , with roll mandrels 15 and 16 with opposite directions Orientation of the grooves 17 and 18 from the sum of the helix angles ⁇ and ⁇ .
- Angle ⁇ is between 60 ° and 85 °. Angle ⁇ smaller than 90 ° are manufacturing technology easier to control than angle ⁇ greater than 90 ° and usually cause a smaller pressure drop as angle ⁇ greater than 90 °.
- the depth T of the secondary grooves 22 is from the top of the inner fin 20 in Measured radial direction.
- the Depth T of the secondary grooves 22 are varied: the smaller the difference in outer diameter between the first rolling mandrel 15 and the second rolling mandrel 16, the greater the depth T of the secondary grooves 22.
- a change in the outer diameter from one of the two mandrels 15 or 16 but not only one Changing the depth T of the secondary grooves 22 result, but usually causes also a change in the height of the outer ribs 3. This effect can However, be compensated by the structure of the rolling tools 11 and 12 modified.
- the largest rolling disks 13 of the first Rolling tool 11 as the smallest rolling disks 14 of the second rolling tool 12th or the smallest rolling disks 14 of the second rolling tool 12 as the largest Rolling discs 13 of the first rolling tool 11 can be used.
- the depth T of the secondary grooves 22 at least 20% of the height H of the inner ribs 20th be.
- T is at least 40% of the height H of the inner fins 20. If the depth T of the secondary grooves 22 is smaller than the height H of the inner fins 20, then is the finished shaped finned tube 1, the course of the inner ribs 20 can still be seen. This is shown in FIG. Altered along the course of the inner ribs 20 But now the cross-sectional shape of the inner ribs 20: The height of the inner ribs 20th is reduced at the locations of the secondary grooves 22 by the depth T thereof.
- the prime intestines 21 are continuous without interruption between the inner ribs 20. Aligned to each other Secondary grooves 22 are spaced by the primary grooves 21.
- FIG. 4 shows schematically a section through the internal structure of FIG. 3 along the Line X-X of Fig. 3.
- the height relationships between inner ribs 20, primary grooves 21st and secondary grooves 22 are clearly visible here.
- the depth T of the secondary grooves 22 is equal to the height H of the inner fins 20, then on the finished molded finned tube 1, the course of the inner fins 20 no longer detect.
- the inner ribs 21 are in this case by the secondary grooves 22 in individual, spaced apart elements 23 divided. This is shown in FIG. 2. Due to the trapezoidal cross section of the initially formed inner ribs 20 and the secondary grooves 22, the spaced elements 23 have the shape of truncated pyramids.
- the density of the intersections of inner ribs 20 and secondary grooves 22 is determined.
- the density of the intersections is between 90 and 250 intersections per cm 2 .
- the reference surface is the inner tube surface, which results from removing the inner structure completely from the tube.
- the pressure drop of the Pipe flowing liquid to the same extent as the heat transfer coefficient.
- the description of the production process according to the invention shows that the multitude of tool parameters that can be selected in this method are the dimensions the outer and inner structure in a wide range of independent can be adjusted. In particular, allows the division of the rolling tool in two spaced rolling tools 11 and 12, the depth T of the secondary grooves 22 to vary without simultaneously changing the height of the outer ribs 3.
- Double-sided structured finned tubes for refrigeration and air conditioning are often made of copper or copper alloys. Since in these metals the pure price of material accounts for a not inconsiderable share of the total cost of the finned tube, competition requires that the weight of the tube be minimized for a given tube diameter.
- the proportion by weight of the internal structure in the total weight is in today commercially available finned tubes, depending on the height of the internal structure and thus depending on the performance of 10% to 20%.
- the proportion by weight of such an internal structure relative to the outer envelope surface of the finned tube is usually between 500 g / m 2 and 1000 g / m 2 , preferably between 600 g / m 2 and 900 g / m 2 .
- the weight fraction of such an internal structure which relates to the outer envelope surface of the finned tube, is usually between 150 g / m 2 and 300 g / m 2 , preferably between 180 g / m 2 and 270 g / m 2 . If one chooses the width of the primary grooves 21 and the secondary grooves 22 large, then a low weight of the internal structure can be realized.
- the heat transfer coefficient is plotted against the heat flow density at condensation of refrigerant R-134a on the outside of the pipe and cooling water flow on the pipe inside.
- the condensation temperature is 36.7 ° C
- the water velocity 2.4 m / s.
- the two compared finned tubes have the same structure on their outer side, but differ in the internal structure, as indicated in the diagram.
- the prior art is represented by the tube, which is provided with a standard internal structure of height 0.35 mm. 2, the height of the truncated pyramids is approximately 0.30 mm, the density of the intersections of inner ribs 20 and secondary grooves 22 is 143 per cm 2 and the angle ⁇ is 96 °.
- the finned tube with internal structure with truncated pyramids has an advantage in the heat transfer coefficient of 13% to 22%. This advantage is due solely to the internal structure, since the heat transfer coefficient on the tube outside is the same for both tubes.
- both the radial force for simultaneous Forming the outer and inner structure as well as the axial force for propulsion of the tube through the rolling tool, which is made up of relatively thin discs is provided by itself.
- the most powerful, commercially available finned tubes are made with rolled discs whose thickness is between 0.40 mm and 0.65 mm is.
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Description
Die Erfindung betrifft metallische, beidseitig strukturierte Wärmeaustauscherrohre,
insbesondere Rippenrohre, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to metallic, double-sided structured heat exchanger tubes,
in particular finned tubes, according to the preamble of
Wärmeübertragung tritt in vielen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik sowie in der Prozess- und Energietechnik auf. Zur Wärmeübertragung werden in diesen Gebieten häufig Rohrbündelwärmeaustauscher eingesetzt. In vielen Anwendungen strömt hierbei auf der Rohrinnenseite eine Flüssigkeit, die abhängig von der Richtung des Wärmestroms abgekühlt oder erwärmt wird. Die Wärme wird an das auf der Rohraußenseite sich befindende Medium abgegeben bzw. diesem entzogen. Es ist Stand der Technik, dass in Rohrbündelwärmeaustauschem anstelle von Glattrohren beidseitig strukturierte Rohre eingesetzt werden. Hierdurch wird der Wärmeübergang auf der Rohrinnenseite und auf der Rohraußenseite intensiviert. Die übertragene Wärmestromdichte wird erhöht, und der Wärmeaustauscher kann kompakter gebaut werden. Alternativ kann die Wärmestromdichte beibehalten und die treibende Temperaturdifferenz erniedrigt werden, wodurch eine energieeffizientere Wärmeübertragung möglich ist. Heat transfer occurs in many areas of refrigeration and air conditioning technology as well as in the Process and energy technology. For heat transfer in these areas commonly used tube bundle heat exchanger. In many applications flows Here on the tube inside a liquid, which depends on the direction of the Heat flow is cooled or heated. The heat gets to the outside of the pipe the medium is discharged or withdrawn. It is booth the technique that in Rohrbündelwärmeaustauschem instead of smooth tubes on both sides structured tubes are used. As a result, the heat transfer on the inside of the pipe and on the outside of the pipe intensified. The transferred heat flux density is increased and the heat exchanger can be made more compact. Alternatively, the heat flow density can be maintained and the driving temperature difference be lowered, resulting in a more energy-efficient heat transfer is possible.
Strukturierte 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 structured heat exchanger tubes for tube bundle heat exchanger usually at least one structured area and smooth end pieces and possibly smooth spacers. Limit the smooth end or intermediate pieces the structured areas. So that the tube easily into the tube bundle heat exchanger can be installed, the outer diameter of the structured Areas should not be greater than the outer diameter of the smooth end and intermediate pieces.
Wärmeaustauscherrohre sind beispielsweise aus der US 3.861.462 bekannt, die beidseitig strukturiert sind. Die Struktur wird zunächst in Bandmaterial eingewalzt, das anschließend zu einem Rohr geformt und an der Stoßfuge geschweißt wird.Heat exchanger tubes are known for example from US 3,861,462, the are structured on both sides. The structure is first rolled into strip material, which is then formed into a tube and welded to the butt joint.
Andere strukturierte Wärmeaustauscherrohre werden häufig als integral gewalzte
Rippenrohre verwendet. Unter integral gewalzten Rippenrohren werden berippte
Rohre verstanden, bei denen die Rippen aus dem Wandungsmaterial eines
Glattrohres geformt wurden und die nahtfrei sind (US 5.992.513, US 4.733.698).
Rippenrohre besitzen auf ihrer Außenseite ring- oder schraubenförmig umlaufende
Rippen. In vielen Fällen besitzen sie auf der Rohrinnenseite eine Vielzahl von
achsparallelen oder schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen, die den
Wärmeübergangskoeffizient auf der Rohrinnenseite verbessern (US 3.768.291).
Diese Innenrippen verlaufen mit konstantem Querschnitt parallel zur Rohrachse oder
in Form von Schraubenlinien unter einem bestimmten Winkel zur Rohrachse. Je
höher die Innenrippen sind, desto größer ist die Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten.
Die Herstellung derartiger Rohre wird beispielsweise in DE 23 03
172 beschrieben. Hierbei ist von Bedeutung, dass durch die dort offengelegte
Verwendung eines profilierten Walzdorns zur Erzeugung der Innenrippen die
Abmessungen der Innen- und der Außenstruktur des Rippenrohres voneinander
unabhängig eingestellt werden können. Dadurch können beide Strukturen auf die
jeweiligen Anforderungen angepasst und so das Rohr optimal gestaltet werden. Other structured heat exchanger tubes are often rolled as integral
Used finned tubes. Under integrally rolled finned tubes are finned
Understood tubes in which the ribs of the wall material of a
Smooth tube were formed and seamless (US 5,992,513, US 4,733,698).
Finned tubes have on their outside ring-shaped or helical circumferential
Ribs. In many cases, they have on the tube inside a variety of
axially parallel or helically encircling ribs, the
Improve heat transfer coefficient on the inside of the pipe (US 3,768,291).
These internal ribs run with a constant cross section parallel to the tube axis or
in the form of helical lines at a certain angle to the tube axis. ever
higher the inner fins, the greater the improvement of the heat transfer coefficient.
The production of such pipes is described for example in
In der jüngsten Zeit wurden viele Möglichkeiten entwickelt, je nach Anwendung den Wärmeübergang auf der Außenseite von integral gewalzten Rippenrohren weiter zu steigern, indem die Rippen auf der Rohraußenseite mit weiteren Strukturmerkmalen versehen werden. Beispielsweise wird bei Kondensation von Kältemitteln auf der Rohraußenseite der Wärmeübergangskoeffizient deutlich erhöht, wenn die Rippenflanken mit zusätzlichen konvexen Kanten versehen werden (US 5.775.411). Bei Verdampfung von Kältemitteln auf der Rohraußenseite hat es sich als leistungssteigernd erwiesen, die zwischen den Rippen befindlichen Kanäle teilweise zu verschließen, so dass Hohlräume entstehen, die durch Poren oder Schlitze mit der Umgebung verbunden sind. 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.In recent times many possibilities have been developed, depending on the application Heat transfer on the outside of integrally rolled finned tubes continues to increase increase, by the ribs on the tube outside with other structural features be provided. For example, when condensation of refrigerants on the Outside of the pipe, the heat transfer coefficient increases significantly when the rib flanks be provided with additional convex edges (US 5,775,411). at Evaporation of refrigerants on the outside of the pipe has become performance enhancing proved to be partially between the channels located between the ribs Close, so that cavities are created by the pores or slots with the Environment are connected. In particular, such are substantially closed Channels by bending or flipping 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 notching and swaging the rib (US 4,660,630, EP 0,713,072, US 4,216,826).
Die genannten Leistungsverbesserungen auf der Rohraußenseite haben zur Folge, dass der Hauptanteil des gesamten Wärmedurchgangswiderstands auf die Rohrinnenseite verschoben wird. Dieser Effekt tritt insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten auf der Rohrinnenseite - also z.B. beim Teillastbetrieb - auf. Um den gesamten Wärmedurchgangswiderstand signifikant zu reduzieren, ist es also notwendig, den Wärmeübergangskoeffizienten auf der Rohrinnenseite weiter zu erhöhen. Dies wäre durch eine Vergrößerung der Höhe der Innenrippen prinzipiell möglich, was jedoch aufgrund der zunehmenden, starken Verformung des Materials technisch schwierig beherrschbar ist und ferner zu einem hohen Gewicht des strukturierten Rohres führt. Aus Kostengründen ist dies jedoch unerwünscht.The mentioned performance improvements on the outside of the tube have the consequence that the majority of the total heat transfer resistance on the tube inside is moved. This effect occurs especially at low flow rates on the inside of the pipe - ie e.g. at partial load operation - on. Around It is therefore to significantly reduce the overall heat transfer resistance necessary to further increase the heat transfer coefficient on the inside of the pipe increase. This would be by increasing the height of the inner ribs in principle possible, but due to the increasing, strong deformation of the material is technically difficult to control and also to a high weight of the structured Pipe leads. For cost reasons, this is undesirable.
Aufgabe der Erfindung ist es, beidseitig strukturierte Wärmeaustauscherrohre mit leistungsgesteigerter Innenstruktur herzustellen, wobei der Gewichtsanteil der Innenstruktur am Gesamtgewicht des Rohres nicht höher sein darf als bei herkömmlichen, schraubenlinienförmigen Innenrippen konstanten Querschnitts. Die Abmessungen der Innen- und der Außenstruktur des Rippenrohres müssen voneinander unabhängig einstellbar sein.The object of the invention is to provide both sides with structured heat exchanger tubes To produce increased performance internal structure, wherein the weight fraction of the Internal structure of the total weight of the pipe may not be higher than in conventional, helical internal ribs of constant cross section. The dimensions The internal and external structure of the finned tube must be independent of each other be adjustable.
Die Aufgabenstellung wird bei einem Wärmeaustauscherrohr der genannten Art, bei
dem jeweils benachbarte Innenrippen durch eine parallel zu den Innenrippen verlaufende
Primärnut getrennt sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Innenrippen von unter einem Steigungswinkel β verlaufenden Sekundärnuten
- gemessen gegen die Rohrachse - gekreuzt werden,
dass die Sekundärnuten gegenüber den Innenrippen unter einem Neigungswinkel γ
von 60-85° verlaufen,
dass die Tiefe T der Sekundärnuten mindestens 20 % der Rippenhöhe H der Innenrippen
beträgt, und
dass die Dichte der Schnittpunkte von Innenrippen (20) und Sekundärnuten (22)
90 bis 250 Schnittpunkte/cm2 beträgt.The task is solved in a heat exchanger tube of the type mentioned, in each of which adjacent inner ribs are separated by a parallel to the inner ribs extending primary groove, according to the invention,
in that the inner ribs are crossed by secondary grooves running at a pitch angle β, measured against the pipe axis,
the secondary grooves extend at an inclination angle γ of 60-85 ° with respect to the inner ribs,
that the depth T of the secondary grooves is at least 20% of the rib height H of the inner ribs, and
the density of the intersections of inner ribs (20) and secondary grooves (22) is 90 to 250 points of intersection / cm 2 .
Durch das Einbringen der Sekundärnuten besitzen die Innenrippen nun keinen konstanten Querschnitt mehr. Folgt man dem Verlauf der Innenrippen, dann ändert sich die Querschnittsform der Innenrippen an den Stellen der Sekundärnuten. Durch die Sekundärnuten entstehen im rohrseitig strömenden Medium zusätzliche Wirbel im wandnahen Bereich, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient gesteigert wird. Es ist einsichtig, dass durch das Hinzufügen von Sekundärnuten der Gewichtsanteil der Innenstruktur am Gesamtgewicht des Rohres nicht erhöht wird. By introducing the secondary grooves, the inner ribs now have no constant Cross section more. Following the course of the inner ribs, then changes the cross-sectional shape of the inner ribs at the locations of the secondary grooves. By the Secondary grooves arise in the pipe side flowing medium additional vortex in close to the wall, which increases the heat transfer coefficient. It is Seeing that by adding secondary grooves the weight fraction of the Internal structure on the total weight of the pipe is not increased.
Die Tiefe der Sekundärnuten wird von der Spitze der Innenrippe aus in radialer Richtung gemessen. Die Tiefe der Sekundärnuten beträgt mindestens 20 % der Höhe der Innenrippen. Wenn die Tiefe der Sekundärnuten gleich der Höhe der Innenrippen ist, dann entstehen auf der Rohrinnenseite voneinander beabstandete Strukturelemente, die Pyramidenstümpfen ähnlich sind.The depth of the secondary grooves becomes radial from the top of the inner fin Direction measured. The depth of the secondary grooves is at least 20% of the Height of the inner ribs. If the depth of the secondary grooves is equal to the height of the Inner ribs, then arise on the inside of the tube spaced apart Structural elements similar to truncated pyramids.
Die Ansprüche 2 bis 10 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Wärmeaustauscherrohres.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin, gemäß den Ansprüchen 12 bis 16, ein
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres.The invention further provides, according to
Gemäß der Erfindung wird zur Erzeugung eines beidseitig strukturierten Wärmeaustauscherrohres mit den vorgeschlagenen Sekundärnuten in der Innenstruktur das Werkzeug zur Formung der Außenrippen in mindestens zwei voneinander beabstandeten Walzscheibenpaketen aufgebaut. Die Innenstruktur wird durch zwei unterschiedlich profilierte Walzdorne geformt. Der erste Walzdorn unterstützt das Rohr im ersten Umformbereich unter dem ersten Walzscheibenpaket und formt zunächst schraubenlinienförmig umlaufende oder achsparallele Innenrippen, wobei diese Innenrippen zunächst einen konstanten Querschnitt aufweisen. Der zweite Walzdorn unterstützt das Rohr im zweiten Umformbereich unter dem zweiten Walzscheibenpaket größeren Durchmessers und formt die erfindungsgemäßen Sekundärnuten in die zuvor geformten schraubenförmig umlaufenden bzw. achsparallelen Rippen. Die Tiefe der Sekundärnuten wird im wesentlichen durch die Wahl der Durchmesser der beiden Walzdorne festgelegt. According to the invention, to produce a heat exchanger tube structured on both sides with the proposed secondary grooves in the inner structure the Tool for forming the outer ribs in at least two spaced apart Rolled disc packages built. The internal structure is different by two profiled roll mandrels shaped. The first mandrel supports the pipe in the first forming area under the first roll disk package and forms first helical circumferential or axially parallel inner ribs, these Inner ribs initially have a constant cross-section. The second rolling mandrel supports the pipe in the second forming area under the second roll disk package larger diameter and shapes the secondary grooves according to the invention in the previously formed helical circumferential or paraxial ribs. The Depth of the secondary grooves is essentially determined by the choice of diameter set two mandrels.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert:The invention will be explained in more detail with reference to the following exemplary embodiments:
Es zeigt:
- Fig.1:
- schematisch die Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres mittels zweier Dome mit unterschiedlicher Orientierung der Drallwinkel;
- Fig.2:
- eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohrs, bei dem sich die Sekundärnuten über die gesamte Höhe der Innenrippe ausdehnen, so dass pyramidenstumpfartige Elemente als Innenstruktur erzeugt werden. Die Ansicht ist teilweise als Schnitt dargestellt;
- Fig.3:
- ein Foto einer Innenstruktur, bei der sich die Sekundärnuten nur über einen Teil der Höhe der Innenrippe erstrecken;
- Fig.4:
- schematisch einen Schnitt durch die Innenstruktur von Fig. 3 entlang der Linie X-X von Fig. 3;
- Fig.5:
- ein Diagramm, das den Leistungsvorteil durch die Sekundärnuten der Innenstruktur dokumentiert;
- Fig.1:
- schematically the preparation of a heat exchanger tube according to the invention by means of two domes with different orientation of the helix angle;
- Figure 2:
- a partial view of a heat exchanger tube according to the invention, in which the secondary grooves extend over the entire height of the inner fin, so that truncated pyramid-like elements are produced as an internal structure. The view is partially shown as a section;
- 3 shows:
- a photograph of an internal structure in which the secondary grooves extend over only a portion of the height of the inner rib;
- Figure 4:
- schematically a section through the inner structure of Figure 3 along the line XX of Fig. 3.
- Figure 5:
- a diagram that documents the performance advantage of the secondary grooves of the internal structure;
Das integral gewalzte Rippenrohr 1 nach Figuren 1 und 2 weist auf der Rohraußenseite
schraubenlinienförmig umlaufende Rippen 3 auf. Die Herstellung des erfindungsgemäßen
Rippenrohres erfolgt durch einen Walzvorgang (vgl. US-PSen 1.865.575 /3.327.512
sowie DE 23 03 172) mittels der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung. The integrally rolled
Es wird eine Vorrichtung verwendet, die aus n = 3 oder 4 Werkzeughaltern 10
besteht, in die jeweils mindestens zwei von einander beabstandete Walzwerkzeuge
11 und 12 integriert sind. (In Fig. 1 ist aus Gründen der Übersicht nur ein Werkzeughalter
10 dargestellt.) Die Achse des Werkzeughalters 10 ist gleichzeitig die
Achse der beiden zugehörigen Walzwerkzeuge 11 und 12 und sie verläuft schräg zur
Rohrachse. 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. Der Walzkopf
ist im Grundgerüst der Walzvorrichtung fixiert. Die Walzwerkzeuge 11 und 12
bestehen jeweils aus mehreren nebeneinander angeordneten Walzscheiben 13 bzw.
14, deren Durchmesser in Pfeilrichtung ansteigt. Die Walzscheiben 14 des zweiten
Walzwerkzeugs 12 haben folglich einen größeren Durchmesser als die Walzscheiben
13 des ersten Walzwerkzeugs 11.A device is used which consists of n = 3 or 4
Ebenfalls Bestandteil der Vorrichtung sind zwei profilierte Walzdorne 15 und 16, mit
deren Hilfe die Innenstruktur des Rohres erzeugt wird. Die Walzdorne 15 und 16 sind
am freien Ende einer Stange 9 angebracht und zueinander drehbar gelagert. Die
Stange 9 ist an ihrem anderen Ende am Grundgerüst der Walzvorrichtung befestigt.
Die Walzdorne 15 und 16 sind im Arbeitsbereich der Walzwerkzeuge 11 und 12 zu
positionieren. Die Stange 9 muss mindestens so lang sein wie das herzustellende
Rippenrohr 1. Vor der Bearbeitung wird das Glattrohr 2 bei nicht zugestellten Walzwerkzeugen
11 und 12 nahezu vollständig über die Walzdorne 15 und 16 auf die
Stange 9 geschoben. Lediglich der Teil des Glattrohres 2, der beim fertigen Rippenrohr
1 das erste glatte Endstück bilden soll, wird nicht über die Walzdorne 15 und 16
geschoben.Also part of the device are two profiled
Zur Bearbeitung des Rohres werden die am Umfang angeordneten, rotierenden
Walzwerkzeuge 11 und 12 auf das Glattrohr 2 radial zugestellt und mit dem Glattrohr
2 in Eingriff gebracht. Das Glattrohr 2 wird dadurch in Drehung versetzt. Da die
Achse der Walzwerkzeuge 11 und 12 zur Rohrachse schräg gestellt ist, formen die
Walzwerkzeuge 11 und 12 schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen 3 aus der
Rohrwandung des Glattrohrs 2 und schieben gleichzeitig das entstehende Rippenrohr
1 entsprechend der Steigung der schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen 3 in
Pfeilrichtung vor. Die Rippen 3 laufen vorzugsweise wie ein mehrgängiges Gewinde
um. Der längs zur Rohrachse gemessene Abstand der Mitten zweier benachbarter
Rippen wird als Rippenteilung p bezeichnet. Der Abstand zwischen den beiden
Walzwerkzeuge 11 und 12 muß so angepasst sein, dass die Walzscheiben 14 des
zweiten Walzwerkzeugs 12 in die Nuten 4 greifen, die zwischen den vom ersten
Walzwerkzeug 11 geformten Rippen 3a sind. Idealerweise ist dieser Abstand ein
ganzzahliges Vielfaches der Rippenteilung p. Das zweite Walzwerkzeug 12 führt dann
die weitere Formung der Außenrippen 3 fort.To edit the tube are arranged on the circumference, rotating
In der Umformzone des ersten Walzwerkzeugs 11 (= erster Umformbereich) wird die
Rohrwandung durch einen ersten profilierten Walzdorn 15 unterstützt, und in der
Umformzone des zweiten Walzwerkzeugs 12 (= zweiter Umformbereich) wird die
Rohrwandung durch einen zweiten profilierten Walzdorn 16 unterstützt. Die Achsen
der beiden Walzdorne 15 und 16 sind identisch mit der Achse des Rohres. Die
Walzdorne 15 und 16 sind unterschiedlich profiliert und der Außendurchmesser des
zweiten Walzdorns 16 ist höchstens so groß wie der Außendurchmesser des ersten
Walzdorns 15. Typischerweise ist der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns 16
um bis zu 0,8 mm kleiner als der Außendurchmesser des ersten Walzdorns 15. Das
Profil der Walzdorne besteht üblicherweise aus einer Vielzahl von trapezförmigen
oder nahezu trapezförmigen Nuten, die parallel zueinander auf der Außenfläche des
Walzdorns angeordnet sind. Das zwischen zwei benachbarten Nuten befindliche
Material des Walzdorns wird als Steg 19 bezeichnet. Die Stege 19 besitzen einen im
wesentlichen trapezförmigen Querschnitt. Die Nuten verlaufen üblicherweise unter
einem Drallwinkel von 0° bis 70° zur Achse des Dorns geneigt. Beim ersten Walzdorn
15 wird dieser Drallwinkel mit α, beim zweiten Walzdorn 16 mit β bezeichnet. In the forming zone of the first rolling tool 11 (= first forming area) is the
Supported pipe wall by a first profiled rolling
Drallwinkel 0° entspricht dem Fall, dass die Nuten parallel zur Achse des Dorns
verlaufen. Ist der Drallwinkel von 0° verschieden, verlaufen die Nuten schraubenlinienförmig.
Schraubenlinienförmig verlaufende Nuten können linksgängig oder rechtsgängig
orientiert sein. In den Fig.1 und 2 ist der Fall dargestellt, dass der erste
Walzdorn 15 rechtsgängige Nuten 17 und der zweite Walzdorn 16 linksgängige Nuten
18 aufweist. Man spricht in diesem Fall von gegensinnig orientierten Nuten 17 und 18
bzw. von unterschiedlicher Orientierung der beiden Drallwinkel α und β. In diesem Fall
können die Drallwinkel α und β gleiche Beträge haben. (Gleiches gilt für den Fall,
dass der erste Walzdorn 15 linksgängige Nuten 17 und der zweite Walzdorn 16
rechtsgängige Nuten 18 aufweist.) Es ist jedoch auch möglich, dass beide Walzdorne
15 und 16 Nuten 17 und 18 mit gleichsinniger Orientierung aufweisen. In diesem Fall
müssen sich jedoch die Drallwinkel α und β hinsichtlich ihres Betrags unterscheiden.
Die beiden Walzdorne 15 und 16 müssen zueinander drehbar gelagert sein.
Durch die radialen Kräfte des ersten Walzwerkzeugs 11 wird das Material der
Rohrwand in die Nuten 17 des ersten Walzdorn 15 gepresst. Dadurch werden
schraubenlinienförmig umlaufenden Innenrippen 20 auf der Innenfläche des Rippenrohres
1 geformt. Zwischen zwei benachbarten Innenrippen 20 verlaufen Primärnuten
21. Entsprechend der Form der Nuten 17 des ersten Walzdorns 15 haben diese
Innenrippen 20 einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt, der zunächst
entlang der Innenrippe konstant bleibt. Die Innenrippen 20 sind gegenüber der
Rohrachse um den gleichen Winkel α (Steigungswinkel) geneigt wie die Nuten 17 zur
Achse des ersten Walzdorns 15. Der Steigungswinkel der Innenrippen 20 ist also
gleich dem Drallwinkel α des ersten Walzdorn 15. Die Höhe der Innenrippen 20 wird
mit H bezeichnet und beträgt üblicherweise 0,15 - 0,40 mm.Due to the radial forces of the
Durch die radialen Kräfte des zweiten Walzwerkzeugs 12 werden die Innenrippen 20
auf den zweiten Walzdorn 16 gepresst. Da die Nuten 18 des zweiten Walzdorns 16
unter einem anderen Winkel zur Domachse und damit unter einem anderen Winkel zur
Rohrachse verlaufen als die Nuten 17 des ersten Walzdorn 15, treffen die Innenrippen
20 abschnittsweise auf eine Nut 18 oder einen Steg 19 des zweiten Walzdorns
16. In den Abschnitten, in denen eine Innenrippe 20 auf eine Nut 18 trifft, wird das
Material der Innenrippe 20 in die Nut gepresst. In den Abschnitten, in denen eine
Innenrippe 20 auf einen Steg 19 trifft, wird das Rippenmaterial verformt und es
werden parallel zueinander verlaufende Sekundärnuten 22 in die Innenrippen 20
eingeprägt. Entsprechend der Form der Stege 19 des zweiten Walzdorns 16 haben
die Sekundärnuten 22 einen trapezförmigen Querschnitt. Sekundärnuten 22, die vom
selben Steg 19 in unterschiedliche Innenrippen 20 eingeprägt werden, sind zueinander
fluchtend angeordnet. Der Steigungswinkel, den die Sekundärnuten 22 mit der
Rohrachse bilden, ist gleich dem Drallwinkel β, den die Nuten 18 des zweiten Walzdornes
16 mit der Achse des zweiten Walzdornes 16 einschließen. Der Neigungswinkel
γ, den die Sekundärnuten 22 mit den Innenrippen 20 einschließen, ergibt sich
bei Walzdornen 15 und 16 mit gleichsinniger Orientierung der Nuten 17 und 18 aus
der Differenz der Drallwinkel α und β, bei Walzdornen 15 und 16 mit gegensinniger
Orientierung der Nuten 17 und 18 aus der Summe der Drallwinkel α und β. Der
Winkel γ beträgt
zwischen 60° und 85°. Winkel γ kleiner 90° sind fertigungstechnisch
leichter zu beherrschen als Winkel γ größer 90° und bewirken üblicherweise
einen kleineren Druckabfall als Winkel γ größer 90°.Due to the radial forces of the
Die Tiefe T der Sekundärnuten 22 wird von der Spitze der Innenrippe 20 aus in
radialer Richtung gemessen. Durch geeignete Wahl der Außendurchmesser der
beiden Walzdorne 15 und 16, sowie durch geeignete Wahl der Außendurchmesser
der jeweils größten Walzscheiben der beiden Walzwerkzeuge 11 und 12 kann die
Tiefe T der Sekundärnuten 22 variiert werden: Je kleiner der Unterschied im Außendurchmesser
zwischen dem ersten Walzdorn 15 und dem zweiten Walzdorn 16 ist,
desto größer ist die Tiefe T der Sekundärnuten 22. Eine Änderung des Außendurchmessers
von einem der beiden Walzdorne 15 oder 16 hat jedoch nicht nur eine
Veränderung der Tiefe T der Sekundärnuten 22 zur Folge, sondern bewirkt üblicherweise
auch eine Veränderung der Höhe der Außenrippen 3. Dieser Effekt kann
jedoch kompensiert werden, indem man den Aufbau der Walzwerkzeuge 11 und 12
modifiziert. Insbesondere können hierzu die größten Walzscheiben 13 des ersten
Walzwerkszeugs 11 als kleinste Walzscheiben 14 des zweiten Walzwerkzeugs 12
bzw. die kleinsten Walzscheiben 14 des zweiten Walzwerkzeugs 12 als größte
Walzscheiben 13 des ersten Walzwerkszeugs 11 verwendet werden.The depth T of the
Um die Strömung der im Rohr fließenden Flüssigkeit deutlich zu beeinflussen, sollte
die Tiefe T der Sekundärnuten 22 mindestens 20% der Höhe H der Innenrippen 20
betragen. Vorzugsweise beträgt T mindestens 40% der Höhe H der Innenrippen 20.
Ist die Tiefe T der Sekundärnuten 22 kleiner als die Höhe H der Innenrippen 20, dann
ist am fertig geformten Rippenrohr 1 der Verlauf der Innenrippen 20 noch zu erkennen.
Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Entlang des Verlaufs der Innenrippen 20 verändert
sich nun aber die Querschnittsform der Innenrippen 20: Die Höhe der Innenrippen 20
ist an den Stellen der Sekundärnuten 22 um deren Tiefe T reduziert. Die Primämuten
21 verlaufen ohne Unterbrechung zwischen den Innenrippen 20. Zueinander fluchtende
Sekundärnuten 22 sind durch die Primärnuten 21 beabstandet.In order to influence the flow of the liquid flowing in the tube clearly, should
the depth T of the
Fig. 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Innenstruktur von Fig. 3 entlang der
Linie X-X von Fig. 3. Die Höhenverhältnisse zwischen Innenrippen 20, Primämuten 21
und Sekundärnuten 22 sind hier deutlich zu erkennen.FIG. 4 shows schematically a section through the internal structure of FIG. 3 along the
Line X-X of Fig. 3. The height relationships between
Ist die Tiefe T der Sekundärnuten 22 gleich der Höhe H der Innenrippen 20, dann ist
am fertig geformten Rippenrohr 1 der Verlauf der Innenrippen 20 nicht mehr zu
erkennen. Die Innenrippen 21 werden in diesem Fall durch die Sekundärnuten 22 in
einzelne, von einander beabstandete Elemente 23 zerteilt. Dies ist in Fig. 2 dargestellt.
Aufgrund des trapezförmigen Querschnitts der zunächst geformten Innenrippen
20 und der Sekundärnuten 22, haben die beabstandeten Elemente 23 die Form
von Pyramidenstümpfen.If the depth T of the
Durch die Profilierung der beiden Walzdorne 15 und 16 wird die Dichte der Schnittpunkte
von Innenrippen 20 und Sekundärnuten 22 bestimmt. Die Dichte der Schnittpunkte
liegt zwischen 90 und 250 Schnittpunkte pro cm2. Als Bezugsfläche
dient hierbei die innere Rohroberfläche, die sich ergibt, wenn man die Innenstruktur
vollständig aus dem Rohr entfernen würde.By profiling the two
Durch die Sekundärnuten 22 wird die Innenstruktur des Rippenrohres 1 mit zusätzlichen
Kanten versehen. Strömt Flüssigkeit auf der Innenseite des Rohres, dann
entstehen an diesen Kanten zusätzliche Wirbel in der Flüssigkeit, die die Wärmeübertragung
auf die Rohrwand verbessern. Üblicherweise steigt der Druckabfall der im
Rohr strömenden Flüssigkeit im gleichen Maße an wie der Wärmeübergangskoeffizient.
Durch geeignete Wahl der Abmessungen der Innenstruktur, insbesondere des
Neigungswinkels γ und der Tiefe T der Sekundärnuten 22, kann dieser Anstieg des
Druckabfalls jedoch günstig beeinflusst werden.By the
Die Beschreibung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zeigt, dass durch
die Vielzahl der bei diesem Verfahren wählbaren Werkzeugparameter die Abmessungen
der Außen- und Innenstruktur in weiten Bereichen voneinander unabhängig
eingestellt werden können. Insbesondere ermöglicht die Aufteilung des Walzwerkzeugs
in zwei beabstandete Walzwerkzeuge 11 und 12 die Tiefe T der Sekundärnuten
22 zu variieren ohne gleichzeitig die Höhe der Außenrippen 3 zu verändern.The description of the production process according to the invention shows that
the multitude of tool parameters that can be selected in this method are the dimensions
the outer and inner structure in a wide range of independent
can be adjusted. In particular, allows the division of the rolling tool
in two spaced rolling
Beidseitig strukturierte Rippenrohre für die Kälte- und Klimatechnik werden häufig aus
Kupfer oder Kupferlegierungen hergestellt. Da bei diesen Metallen der reine Materialpreis
einen nicht unerheblichen Anteil an den Gesamtkosten des Rippenrohres
bedingt, erfordert es der Wettbewerb, dass bei gegebenem Rohrdurchmesser das
Gewicht des Rohres möglichst gering ist. Der Gewichtsanteil der Innenstruktur am
Gesamtgewicht beträgt bei heutzutage kommerziell erhältlichen Rippenrohren je nach
Höhe der Innenstruktur und damit je nach Leistungsfähigkeit 10% bis 20%. Durch die
erfindungsgemäßen Sekundärnuten 22 in den Innenrippen 20 von beidseitig strukturierten
Rippenrohren kann die Leistungsfähigkeit derartiger Rohre beträchtlich erhöht
werden, ohne dass der Gewichtsanteil der Innenstruktur erhöht wird. Bei Rippenrohren,
die aus Werkstoffen mit einer Dichte von 7,5 bis 9,5 g/cm3 bestehen (also
z.B. Kupfer, Kupferlegierungen oder Stahl), liegt der auf die äußere Hüllfläche des
Rippenrohres bezogene Gewichtsanteil einer derartigen Innenstruktur üblicherweise
zwischen 500 g/m2 und 1000 g/m2, vorzugsweise zwischen 600 g/m2 und 900 g/m2.
Bei Rippenrohren, die aus Werkstoffen mit einer Dichte von 2,5 bis 3,0 g/cm3 bestehen
(also z.B. Aluminium), liegt der auf die äußere Hüllfläche des Rippenrohres
bezogene Gewichtsanteil einer derartigen Innenstruktur üblicherweise zwischen 150
g/m2 und 300 g/m2, vorzugsweise zwischen 180 g/m2 und 270 g/m2. Wenn man die
Breite der Primärnuten 21 und der Sekundärnuten 22 groß wählt, dann läßt sich ein
geringes Gewicht der Innenstruktur realisieren.Double-sided structured finned tubes for refrigeration and air conditioning are often made of copper or copper alloys. Since in these metals the pure price of material accounts for a not inconsiderable share of the total cost of the finned tube, competition requires that the weight of the tube be minimized for a given tube diameter. The proportion by weight of the internal structure in the total weight is in today commercially available finned tubes, depending on the height of the internal structure and thus depending on the performance of 10% to 20%. By means of the
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das den Leistungsvorteil der erfindungsgemäßen Innenstruktur
dokumentiert. Aufgetragen ist der Wärmedurchgangskoeffizient gegen die
Wärmestromdichte bei Kondensation von Kältemittel R-134a auf der Rohraußenseite
und Kühlwasserströmung auf der Rohrinnenseite. Die Kondensationstemperatur
beträgt 36,7 °C, die Wassergeschwindigkeit 2,4 m/s. Die beiden verglichenen
Rippenrohre besitzen die gleiche Struktur auf ihrer Außenseite, unterscheiden sich
jedoch in der Innenstruktur, wie im Diagramm bezeichnet. Der Stand der Technik wird
hierbei durch das Rohr repräsentiert, das mit einer Standard-Innenstruktur der Höhe
0,35 mm versehen ist. Bei dem erfindungsgemäßen Rippenrohr mit Innenstruktur mit
Pyramidenstümpfen ähnlich Fig. 2 beträgt die Höhe der Pyramidenstümpfe ungefähr
0,30 mm, die Dichte der Schnittpunkte von Innenrippen 20 und Sekundärnuten 22
beträgt 143 pro cm2 und der Winkel γ beträgt 96°. Das Rippenrohr mit Innenstruktur
mit Pyramidenstümpfen weist einen Vorteil im Wärmedurchgangskoeffizienten von
13% bis 22% auf. Dieser Vorteil ist alleine durch die Innenstruktur bedingt, da der
Wärmeübergangskoeffizient auf der Rohraußenseite bei beiden Rohren gleich ist.5 shows a diagram which documents the performance advantage of the internal structure according to the invention. The heat transfer coefficient is plotted against the heat flow density at condensation of refrigerant R-134a on the outside of the pipe and cooling water flow on the pipe inside. The condensation temperature is 36.7 ° C, the water velocity 2.4 m / s. The two compared finned tubes have the same structure on their outer side, but differ in the internal structure, as indicated in the diagram. The prior art is represented by the tube, which is provided with a standard internal structure of height 0.35 mm. 2, the height of the truncated pyramids is approximately 0.30 mm, the density of the intersections of
Die Verwendung von Innenrippen mit Sekundärnuten zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf der Innenseite von Wärmeaustauscherrohren ist von Rohren bekannt, die lediglich eine Innenstruktur besitzen. Bei nahtlosen Rohren werden derartige Innenstrukturen mittels zweier unterschiedlich profilierter Dorne hergestellt (z.B. JP-OS 1-317637). Diese Technik wird bislang nur bei auf der Rohraußenseite glatten Rohren eingesetzt. Die Übertragung dieser Technik auf beidseitig strukturierte, integral gewalzte Rippenrohre ist jedoch aufgrund der deutlich unterschiedlichen Herstellungsverfahren nicht naheliegend: Bei auf der Rohraußenseite glatten Rohren wird die zur Erzeugung der Innenstruktur erforderliche, radiale Krafteinwirkung durch relativ breite, auf der Rohraußenseite angeordnete Walzen, Rollen oder Kugeln aufgebracht. Der Vortrieb des Rohres in Rohrlängsrichtung wird hierbei durch eine separate Ziehvorrichtung bewerkstelligt. Im Gegensatz hierzu wird bei beidseitig strukturierten, integral gewalzten Rippenrohren sowohl die radiale Kraft zur gleichzeitigen Formung der Außen- und Innenstruktur als auch die axiale Kraft zum Vortrieb des Rohres durch das Walzwerkzeug, das aus relativ dünnen Walzscheiben aufgebaut ist, alleine erbracht. Die leistungsfähigsten, kommerziell erhältlichen Rippenrohre werden mit Walzscheiben hergestellt, deren Dicke zwischen 0,40 mm und 0,65 mm beträgt.The use of internal ribs with secondary grooves to improve heat transfer on the inside of heat exchanger tubes is known from pipes, which only have an internal structure. For seamless pipes are such Internal structures produced by means of two differently profiled mandrels (e.g., Japanese Laid-Open Patent Publication No. 1-317637). This technique is so far only on the outside of the tube smooth tubes used. The transfer of this technique to bilaterally structured, However, integrally rolled finned tubes is due to the significantly different Production method not obvious: with tubes on the outside of the tube smooth is the required to generate the internal structure, radial force by relatively wide, arranged on the outside of the tube rollers, rollers or balls applied. The propulsion of the tube in the tube longitudinal direction is characterized by a accomplished separate drawing device. In contrast, with both sides structured, integrally rolled finned tubes both the radial force for simultaneous Forming the outer and inner structure as well as the axial force for propulsion of the tube through the rolling tool, which is made up of relatively thin discs is provided by itself. The most powerful, commercially available finned tubes are made with rolled discs whose thickness is between 0.40 mm and 0.65 mm is.
Claims (16)
- Seamless heat-exchange pipe (1) having optionally smooth ends, at least one structured region at the outer side of the pipe and at the inner side of the pipe and optionally smooth intermediate regions, and having the following features:a) integral outer ribs (3) extend around the outer side of the pipe in the manner of a helix,b) integral inner ribs (20) extend on the inner side of the pipe in an axially parallel manner or in the manner of a helix at an angle of pitch of α = from 0 to 70° (measured relative to the pipe axis), with primary grooves (21) being formed,
characterised in thatc) the inner ribs (20) are crossed by secondary grooves (22) which extend at an angle of pitch β (measured relative to the pipe axis),d) the secondary grooves (22) extend at an angle of pitch γ of from 60 to 85° relative to the inner ribs (20),e) the depth T of the secondary grooves (22) comprises at least 20% of the rib height H of the inner ribs (20), andf) the density of the intersections of inner ribs (20) and secondary grooves (22) is from 90 to 250 intersections/cm2. - Heat-exchange pipe according to claim 1, characterised in that the angle of pitch is γ = from 30 to 100°.
- Heat-exchange pipe according to claim 1 or 2, characterised in that, when the inner ribs (20) and secondary grooves (22) extend in opposite directions, the angle of pitch γ is produced as the sum of the angles of pitch α and β: γ = α + β.
- Heat-exchange pipe according to claim 1 or 2, characterised in that, when the inner ribs (20) and secondary grooves (22) extend in the same direction, the angle of pitch γ is produced as the difference between the angles of pitch α and β: γ = α - β.
- Heat-exchange pipe according to any one or more of claims 1 to 4, characterised in that
the depth T of the secondary grooves (22) is at least 40% of the rib height H. - Heat-exchange pipe according to any one or more of claims 1 to 5,
characterised in that
the rib height H = from 0.15 to 0.40mm. - Heat-exchange pipe according to any one or more of claims 1 to 6, characterised in that
the depth T of the secondary grooves (22) corresponds to the rib height H. - Heat-exchange pipe according to claim 7, characterised in that the inner side of the pipe has a truncated pyramid-like structure (23).
- Heat-exchange pipe according to any one or more of claims 1 to 8, characterised in that
the weight proportion of the inner structure in relation to the outer covering face of the heat-exchange pipe (1) is from 500 to 1000g/m2, preferably from 600 to 900g/m2, and in that the density of the material used is from 7.5 to 9.5g/cm3. - Heat-exchange pipe according to any one or more of claims 1 to 8, characterised in that
the weight proportion of the inner structure in relation to the outer covering face of the heat-exchange pipe (1) is from 150 to 300g/m2, preferably from 180 to 270g/m2, and in that the density of the material used is from 2.5 to 3.0g/cm3. - Method for producing a heat-exchange pipe (1), according to any one or more of claims 1 to 10, having outer ribs (3) and inner ribs (20) which extend around the outer side of the pipe in the manner of a helix and which extend on the inner side of the pipe in an axially parallel manner or in the manner of a helix and which are integral, that is to say, are formed out of the pipe wall, and which are crossed by secondary grooves (22), wherein the following method steps are carried out:a) at the outer side of a smooth pipe (2), outer ribs (3) which extend in the manner of a helix are formed in a first shaping region, with the rib material being obtained by material being pressed out of the pipe wall by means of a first rolling step and the ribbed pipe (1) which is produced being caused to rotate by the rolling forces and being pushed forwards in accordance with the ribs (3) which are produced in the manner of a helix, the outer ribs (3) being shaped with increasing height from the otherwise non-deformed smooth pipe (2),b) the pipe wall is supported in the first shaping region by means of a first rotatable and shaped roller mandrel (15) which is located in the pipe,c) in a second rolling step, the outer ribs (3) are formed with further increasing height in a second shaping region which is spaced apart from the first shaping region and the inner ribs (20) are provided with secondary grooves (22),d) the pipe wall being supported in the second shaping region by means of a second roller mandrel (16) which is located in the pipe and which is also constructed so as to be rotatable and shaped, but whose shaping is different from the shaping of the first roller mandrel (15) with regard to the magnitude or the orientation of the angle of twist.
- Method according to claim 11, characterised in that
the spacing of the shaping regions is substantially selected as an integer multiple of the rib pitch p. - Method according to claim 11 or 12, characterised in that the outer diameter of the second roller mandrel (16) is selected so as to be smaller than the outer diameter of the first roller mandrel (15).
- Method according to any one or more of claims 11 to 13 for producing a heat-exchange pipe (1) according to claim 4,
characterised in that
roller mandrels (15, 16) are used having grooves (17, 18) which are directed in opposite directions. - Method according to any one or more of claims 11 to 13 for producing a heat-exchange pipe (1) according to claim 5,
characterised in that
roller mandrels (15, 16) are used having grooves (17, 18) which are directed in the same direction. - Method according to any one or more of claims 11 to 15,
characterised in that
the depth T of the secondary grooves (22) is adjusted by selecting the diameters of the roller mandrels (15, 16) and by selecting the diameters of the largest roller discs of the two roller tools (11, 12) in each case.
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