EP1342971A2 - Wärmeaustauschrohr mit berippter Innenoberfläche - Google Patents

Wärmeaustauschrohr mit berippter Innenoberfläche Download PDF

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EP1342971A2
EP1342971A2 EP03003894A EP03003894A EP1342971A2 EP 1342971 A2 EP1342971 A2 EP 1342971A2 EP 03003894 A EP03003894 A EP 03003894A EP 03003894 A EP03003894 A EP 03003894A EP 1342971 A2 EP1342971 A2 EP 1342971A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
zones
zone
ribs
heat exchange
classes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03003894A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1342971A3 (de
Inventor
Christoph Dr. Walther
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wieland Werke AG filed Critical Wieland Werke AG
Publication of EP1342971A2 publication Critical patent/EP1342971A2/de
Publication of EP1342971A3 publication Critical patent/EP1342971A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F28F1/32—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely the means having portions engaging further tubular elements
    • 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
    • F28F1/40—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/04—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by preventing the formation of continuous films of condensate on heat-exchange surfaces, e.g. by promoting droplet formation

Definitions

  • the invention relates to a heat exchange tube with a structured inner surface according to the preamble of claim 1 for the evaporation of liquids or condensation of gases, consisting of pure substances or mixtures, on the inside of the tube.
  • a global competition for heat exchangers e.g. Lamellar block heat exchangers (see Fig. 1) for refrigeration and air conditioning technology, requires high-performance heat exchange tubes that are produced in a few work steps and with little material.
  • the heat exchange tubes are usually arranged horizontally in fin block heat exchangers.
  • the object of the invention is to provide a heat exchange tube with an internal surface structure which represents an optimum between the following requirements: a heat transfer performance which is good or improved compared to the prior art, with both condensation and evaporation; a low pressure drop, the lowest possible pipe weight and a reduced production effort based on the number of structural stamping steps.
  • the object is achieved in heat exchange tubes according to the preamble of claim 1 in that the inner surface in the circumferential direction is divided into at least two zones (Z 1 , Z 2 , ..., Z n ) running parallel to the tube longitudinal axis, the zones being divided into distinguish at least two zone classes (K 1 , K 2 , ..., K m ) and alternate zones of different zone classes in the circumferential direction in any order, with zones of at least one zone class (K 1 , K 2 , ..., K j ) ribs with a rib height h 1 and at a pitch angle ⁇ 1 to the pipe longitudinal direction, so that when there are several zone classes (K 1 , K 2 , ..., K j ), these differ in at least one of the features rib height and pitch angle, characterized that in zones of at least one further zone class (K j + 1, K j + 2 , ..., K m ) there are fins with a pitch angle ⁇ 2 to the pipe longitudinal direction and with a
  • the production of the heat exchange tube according to the invention is based, for example, on the method described in more detail below.
  • copper or a copper alloy is used as the material of the heat exchange tubes, but the present invention is not so limited. Rather, any type of metal can be used, for example aluminum.
  • a metallic flat strip is subjected to a one-step roll embossing step in which it is passed between a structure roller with a surface configuration complementary to the structure according to the invention and a support roller.
  • One side of the flat strip is provided with the structure according to the invention, while the second side remains smooth or also has a structuring which is not described in more detail here. Only the edge areas on the first side that serve for the subsequent welding can possibly be structured differently or also remain unstructured.
  • the structured flat strip is formed into a slotted tube, longitudinally welded in a welding process, and the tube is optionally brought to the desired outside diameter in a final drawing process.
  • a possible influencing of the heat transfer capacity of the heat exchange tube according to the invention by the area of the weld seam which is structured differently or is unstructured is insignificant and can be neglected.
  • Fig. 1 shows a fin block heat exchanger according to the prior art with horizontally arranged heat exchange tubes (4) and fins not numbered.
  • a longitudinal section of a longitudinally welded heat exchange tube (4) with the outer diameter D is shown.
  • the heat exchange tube (4) has a smooth outer surface, a structured inner surface and a weld seam section (7).
  • An influence on the performance of a heat exchange tube (4) according to the invention by the slight interruption of the structure of the inner surface by a weld seam section (7) can be neglected.
  • the weld seam section (7) runs parallel to the longitudinal axis of the pipe and lies between two zones Z shown in more detail in the following figures, without appreciably influencing the effect of the zone change.
  • Fig. 3 shows schematically a top view of the opened inner surface of a heat exchange tube (4) according to the invention.
  • the inner surface is divided in the circumferential direction into 5 zones (Z 1 to Z 5 ) of different widths (B 1 to B 5 ), with zones (Z 1 , Z 3 , ...) of zone class K 1 ribs (1) under one Pitch angle ⁇ 1 to the pipe longitudinal direction.
  • zones (Z 2 , Z 4 , ...) of the zone class K 2 ribs (2) run at a pitch angle ⁇ 2 with the same rib height h 2 , the ribs (2) being crossed by ribs (3) of the same height.
  • the associated zones have the same structuring with regard to the rib pattern, the rib height and the pitch angle.
  • the respective pitch angles ⁇ 2 and ⁇ 3 are different from one another.
  • the core wall thickness t is also shown.
  • the widths of the zones of a zone class are the same, while the zones (Z 1 , Z 3 , Z 5 ) of the zone class K 1 are made wider than the zones (Z2, Z 4 ) of the zone class K 2 .
  • Fig. 4 the specification of the pitch angle a is clarified.
  • the pipe longitudinal direction is understood as the zero point (0 °), while fins (1a) that run to the right of this 0 ° line in the pipe longitudinal direction, with a positive angle ( ⁇ > 0) and fins (1 b) that follow in the pipe longitudinal direction run away to the left of this 0 ° line, be described with a negative angle ( ⁇ ⁇ 0).
  • Fig. 5 shows schematically a plan view of a heat exchange tube according to the invention with an open, finned inner surface analogous to Fig. 3, in which in the zones of zone class K 2 the intersecting ribs (2) and (3) an intersection angle, calculated as the amount of the smaller of the two complementary angles
  • the intersecting ribs (2) and (3) completely enclose a depression (5) in which they form a closed rib train of diamond-shaped type (6). A grid-like pattern is created.
  • the ribs (2) and (3) in the zones of the zone class K 2 with a rib height of h 2 and h 3 are smaller than the ribs (1) in the zones of the zone class K 1 with the rib height h 1 .
  • the ribs (3) run at an angle ⁇ 3 with respect to the longitudinal direction of the pipe.
  • the core wall thickness t of the heat exchange tube (4), measured at the groove base (9) between the ribs (1) in the zones (Z 1 , Z 3 , ...) of the zone class K 1 or in the depressions (5) between the ribs (2,3) in the zones (Z 2 , Z 4 , ...) of the zone class K 2 outside a weld seam section (7), is uniform in the circumferential direction of the tube.
  • FIG. 6 schematically shows a top view of a further embodiment of a heat exchange tube according to the invention with an opened, finned inner surface analogous to FIG. 3, in which the crossing ribs (2) in zones (Z 2 , Z 4 , ...) of zone class K 2 and (3) an intersection angle calculated as the amount of the smaller of the two complementary angles
  • FIG. 7 schematically shows a top view of a further embodiment of a heat exchange tube according to the invention with an opened, finned inner surface, in which the zones Z 1 to Z 5 are divided into three zone classes K 1 to K 3 .
  • the pitch angle of the ribs (1) is ⁇ 1
  • zone Z 3 of zone class K 2 the pitch angle is ⁇ 1 *.
  • the pitch angle of the ribs (1) with respect to the longitudinal direction of the tube in the zones of odd number (Z 1 , Z 3 , Z 5 ) is alternately changed from zone to zone between ⁇ 1 and ⁇ 1 *.
  • the intersecting ribs (2) and (3) form a lattice-like pattern in which they completely enclose a plurality of depressions (5) in a closed rib train of diamond-shaped type (6) ,
  • FIG. 8 schematically shows a top view of a heat exchange tube according to the invention with an opened, finned inner surface analogous to FIG. 7, in which the width of the zones of zone class K 3 (B 2 , B 4 ) is only approximately 50% of the width of the zones of zone classes K 1 and K 2 (B 1 , B 3 , B 5 ).
  • FIG. 9 schematically shows a top view of a heat exchange tube according to the invention with an open, finned inner surface analogous to FIG. 5, in which the ribs have a notch (8) in individual zones.
  • the ribs (1) of the zone Z 3 of the zone class K 2 have notches (8) which are aligned one behind the other on lines which run at an angle of inclination ⁇ 4 with respect to the pipe longitudinal direction.
  • the notch depth k of the notches (8) as shown in FIG. 10 is at least 20% of the rib height h 1 of the ribs (1).
  • FIG. 11 schematically shows the structure of a structural roller (11) for producing the heat exchange tubes (4) according to the invention.
  • the roller (11) is made up of several disks (12). Grooves (13, 14, 15) are made in the individual disks (12), which, when the roller (11) rolls on the sheet metal strip (10), supported by a smooth back-up roller (16), produce the ribs (1, 2, 3) in the individual zones Z 1 to Z 5 in one roll embossing process.
  • the sheet metal strip (10) is formed into a slotted tube and welded along the longitudinal seam, so that a weld seam section (7) results.
  • An embodiment of a heat exchange tube according to the invention with an open, finned inner surface analogous to FIG. 5 is characterized by a tube outer diameter of 9.52 mm and an inner surface which is divided into seven zones of different widths in the circumferential direction of the tube.
  • the width of the zones is alternately determined by a circumferential angle of 72 ° (4 wide zones) or 24 ° (3 narrow zones).
  • ribs (2) in the narrow zones in the circumferential direction.
  • the ribs (2) are crossed in the even-numbered zones by ribs (3) which run at an opposite pitch angle ⁇ 3 of -20 ° to the pipe longitudinal direction, so that the cutting angle between the ribs (2) and (3) is 40 ° ,
  • the rib height h 3 is 0.15mm.
  • the rib density of the ribs (3) in the zones of even number (Z 2 , Z 4 , ...), measured as the number of ribs per unit length in the direction of the ribs (2), is 1.45 per millimeter.
  • This embodiment of a heat exchange tube according to the invention showed particularly good properties with respect to the heat transfer performance and the pressure drop with a small meter weight of the tube compared to a tube according to the prior art.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschrohr (4) mit berippter Innenoberfläche, die in Umfangsrichtung in mindestens zwei Zonen (Z1, Z2, ..., Zn) unterteilt ist, die sich in mindestens zwei Zonenklassen (K1, K2,..., Kj, Kj+1,..., Km) unterscheiden lassen. In Zonen mindestens einer Zonenklasse (K1, K2, ..., Kj) verlaufen Rippen (1) mit einer Rippenhöhe h1 und unter einem Steigungswinkel α1 zur Rohrlängsrichtung. In Zonen mindestens einer weiteren Zonenklasse (Kj+1, Kj+2, ..., Km) verlaufen Rippen (2) mit einer Rippenhöhe h2 unter einem Steigungswinkel α2, die von unter einem Steigungswinkel α3 verlaufenden Rippen (3) einer Rippenhöhe h3 gekreuzt werden (α3¬=α2). Vorzugsweise sind h2, h3 <= h1+(Fig. 5). <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschrohr mit einer strukturierten inneren Oberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 zur Verdampfung von Flüssigkeiten oder Kondensation von Gasen, bestehend aus Reinstoffen oder Gemischen, auf der Rohrinnenseite.
  • Ein weltweiter Wettbewerb bei Wärmeaustauschern, z.B. Lamellenblock-Wärmeaustauschern (vgl. Fig. 1) für die Kälte- und Klimatechnik, erfordert hochleistende, mit wenig Material und kostengünstig in wenigen Arbeitsschritten produzierte Wärmeaustauschrohre. Die Wärmeaustauschrohre sind dabei in Lamellenblock-Wärmeaustauschern zumeist horizontal angeordnet.
  • Da Klimageräte oftmals als umschaltbar zwischen Sommer(Kühl)-/Winter(Heiz)-Betrieb ausgelegt sind, müssen die Lamellenblock-Wärmeaustauscher und somit die Wärmeaustauschrohre der Innenraum- bzw. Außen-Einheit einer Klimaanlage je nach Betriebsart mal im Verdampfungs- und mal im Kondensationsmodus betrieben werden. Entsprechend werden oft Rohre mit guten Leistungseigenschaften in beiden Modi gefordert.
    • Stand der Technik:
  • Zum Stand der Technik zählt ein Wärmeaustauschrohr nach
    • Figure imgb0001
       EP 0.591.094 A1, bei dem auf der inneren Oberfläche Rippen gleicher Form unter einem Steigungswinkel gegenüber der Längsrichtung des Rohres spiralförmig umlaufen. Insbesondere bei Verdampfung fördert die Spiralstruktur eine vollständige Benetzung des gesamten Rohrumfangs und erzielt so eine Verbesserung des Wärmeübergangs. Allerdings fällt die Wärmeübergangsleistung insbesondere bei Kondensation gegenüber den nachstehend aufgeführten Strukturen deutlich zurück.
    • Figure imgb0002
       DE 196 28 280 C2, bei dem in Umfangsrichtung des Rohres sektionsweise zwischen zwei verschiedenen Richtungen für die Ausrichtung der Rippen gewechselt wird. Eine Drallströmung kann sich hier- aufgrund der fehlenden Vorzugsrichtung und im Gegensatz zu helixförmigen Strukturen - nicht ausbilden. Diese Form der Strukturierung der inneren Oberfläche erweist sich bei Verdampfung als wenig geeignet, da deutlich geringere Verdampfungsleistungen erzielt werden als in Rohren, deren Oberfläche eine eindeutige Vorzugsrichtung für die wandnahe Strömung aufweist. Bei Kondensation andererseits zeigt diese Struktur, da einen vollständige Benetzung eben nicht durch die Struktur gefördert und dadurch die den Wärmeübergang bei Kondensation limitierende Filmdicke in der oberen Rohrhälfte dünn gehalten wird , herausragende Wärmeübergangsleistungen, bei allerdings auch deutlich vergrößertem Druckabfall.
    • Figure imgb0003
       US 6.298.909 B1, bei dem ähnlich zu DE 196 28 280 C2 in Umfangsrichtung des Rohres sektionsweise zwischen zwei verschiedenen Richtungen für die Ausrichtung der Rippen gewechselt wird. Um dem deutlich höheren Druckabfall dieser Strukturen zu begegnen, wurde die Rippenhöhe im Übergangsbereich zweier Sektionen erniedrigt durch eine entsprechende Werkzeuggestaltung mit dem Nachteil, dass in diesem Übergangsbereich die Wanddicke ansteigt und so das Rohrgewicht erhöht wird, ohne dieses zusätzliche Material weder zur Verbesserung der Wärmeübergangsleistung zu nutzen noch zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zu benötigen. Wie zuvor zeigt diese Struktur sehr gute Kondensations-, aber gegenüber dem Stand der Technik deutlich abfallende Verdampfungsergebnisse.
    • Figure imgb0004
       EP 1.087.198 A1 und JP-OS 10-047.880 (Kobe Steel), bei denen ähnlich zu DE 196 28 280 C2 in Umfangsrichtung des Rohres sektionsweise zwischen zwei verschiedenen Richtungen für die Ausrichtung der Rippen gewechselt wird. Allerdings sind hier die Zonen alternierend unterschiedlich breit ausgeführt, so dass sich wieder eine dominierende spiralförmige Vorzugsrichtung ausbilden kann, welche bei Verdampfung die vollständige Benetzung des Rohrumfangs unterstützt und den Wärmeübergang fördert. Andererseits wird die Spiralstruktur genügend oft unterbrochen, so dass diese Struktur bezüglich der Kondensationsleistung ähnlich gute Werte zeigt wie Strukturen nach DE 196 28 280 C2. Nachteilig wirkt sich ähnlich wie bei DE 196 28 280 C2 der hohe Druckabfall der Rohre aus.
    • Figure imgb0005
       JP-OS 04-158.193 (Furukawa), bei dem die Rohrinnenoberfläche in Umfangsrichtung des Rohres in Sektionen unterteilt ist und sektionsweise die Rippengeometrie bzgl. Steigungswinkel, Rippenanzahl und Rippenhöhe wechselt.
    • Figure imgb0006
       JP-OS 2000-283.680 (Kobe Steel), bei dem in Umfangsrichtung des Rohres sektionsweise zwischen Zonen mit schräg zur Längsachse verlaufenden Rippen und Zonen, in denen diese Rippen zusätzlich gekerbt wurden, gewechselt wird. Nachteilig ist, dass die Kerbung der Rippen einen zweiten Walzschritt und ein zusätzliches Werkzeug erfordert und so den Produktionsaufwand vergrößert. Zudem wird eine Reduzierung des Rohrgewichtes trotz des Ausformens der Mulden nicht erreicht, da dass Material lediglich in die zuvor geformten Kanäle zwischen den Rippen verdrängt wird.
    • Figure imgb0007
       JP-OS 02-280.933 (Furukawa), bei dem auf dem gesamten Rohrumfang eine gitterartige Rippenstruktur vorliegt. Allerdings behindern die grundsätzlich in den Kanälen zwischen den Primärrippen vorhandenen Sekundärrippen das Entstehen einer Drallströmung und somit eine die Verdampfung fördernde vollständige Benetzung des Rohrumfangs, da Bereiche mit einer eindeutigen und auch durch Sekundärrippen nicht gestörten Zone nicht vorliegen.
    Aufgabe:
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmeaustauschrohr mit einer inneren Oberflächenstruktur zu schaffen, welche ein Optimum zwischen folgenden Anforderungen darstellt: einer gegenüber dem Stand der Technik guten oderverbesserten Wärmeübergangsleistung bei sowohl Kondensation als auch Verdampfung; einem geringen Druckabfall, einem möglichst niedrigem Rohrgewicht und einem verminderten, nach Anzahl der Struktur-Prägeschritte zählenden Produktionsaufwand.
  • Die Aufgabe wird bei Wärmeaustauschrohren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Innenoberfläche in Umfangsrichtung in mindestens zwei parallel zur Rohrlängsachse verlaufende Zonen (Z1, Z2, ..., Zn) unterteilt ist, wobei die Zonen sich in mindestens zwei Zonenklassen (K1, K2,..., Km) unterscheiden lassen und sich Zonen unterschiedlicher Zonenklasse in Umfangsrichtung in beliebigerAbfolge abwechseln, wobei in Zonen mindestens einerZonenklasse (K1, K2, ..., Kj) Rippen mit einer Rippenhöhe h1 und unter einem Steigungswinkel α1 zur Rohrlängsrichtung verlaufen, so dass bei Vorliegen von mehreren Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) sich diese in mindestens einem der Merkmale Rippenhöhe und Steigungswinkel unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass in Zonen mindestens einer weiteren Zonenklasse (Kj+1, Kj+2, ..., Km) Rippen mit einem Steigungswinkel α2 zur Rohrlängsrichtung und mit einer Rippenhöhe h2 vorliegen und von unter einem Steigungswinkel α3 zur Rohrlängsrichtung verlaufenden Rippen einer Rippenhöhe h3 gekreuzt werden (α3≠α2), wobei die Rippenhöhen h2 und h3 der sich kreuzenden Rippen in den Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) gleich oder vorzugsweise kleiner als die Rippenhöhen h1 der Rippen in den in Umfangsrichtung nächstliegenden Zonen der Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) sind.
  • Damit ergeben sich die folgenden Vorteile der Erfindung:
    • Figure imgb0008
       Durch den Wechsel von Zonen mit unter einem Winkel zur Rohrlängsachse verlaufenden Rippen einerseits und Zonen mit sich in gitterartigem Muster kreuzenden Rippen andererseits ist durch die erstgenannten Zonen die Möglichkeit zur Ausbildung einer bevorzugten Richtung einer Drallströmung gegeben, die aufgrund ihres Dralls eine vollständige Benetzung des Rohrumfangs unterstützt und so zu einer guten und verbesserten Wärmeübergangsleistung bei Verdampfung beiträgt. Jeweils kurz gestört wird diese Drallströmung andererseits durch die, vorzugsweise aber nicht notwendigerweise, schmaleren Zonen mit gitterartigem Muster, welche für eine Verwirbelung und ein Aufbrechen von Temperatur- und Konzentrationsgrenzschichten sorgen und somit den Wärmeübergang weiter steigern können, ehe die Strömung wieder in die bevorzugte Drallrichtung gezwungen wird. Der Schnittwinkel der sich kreuzenden Rippen in den Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) mit gitterartigem Muster, berechnet als der Betrag des kleineren der beiden Komplementärwinkel |(α2 -α3)| bzw. |180°-(α2-α3)|, beträgt vorzugsweise 30° bis 90° (Anspruch 2).
    • Figure imgb0009
       Für den Kondensationsbetrieb andererseits wird die Spiralstruktur mit Vorzugsrichtung genügend oft unterbrochen und eine Drallströmung gestört durch Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) mit sich in gitterartigem Muster kreuzenden Rippen, in denen in der oberen Rohrhälfte ein Abführen des Kondensats und somit eine Reduzierung der Filmdicke des Kondensats erleichtert wird. Daher zeigt diese Struktur eine sehr gute Kondensationsleistung. Die gewählte Breite der Zonen gitterartigen Musters der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) und die so erzwungene Störung einer reinen Drallströmung stellt einen Kompromiss dar zwischen guten Verdampfungs- und Kondensationsleistungen. Vorzugsweise wird die Breite der Zonen sich kreuzender Rippen schmaler gewählt als die Zonen mit einfacher Berippung; insbesondere sollte die Breite der Zonen sich kreuzender Rippen 3-70% der Breite der Zonen mit einfacher Berippung betragen (Ansprüche 6 und 7).
    • Figure imgb0010
       Gegenüber dem Stand der Technik in EP 1.087.198 weist die erfindungsgemäße Struktur einen verringerten Druckabfall auf, der sich aufgrund der Verringerung der Höhe der Rippen in den parallel zur Rohrlängsrichtung verlaufenden Zonen gitterartigen Musters der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2,..., Km) ergibt. Die Rippen sind im Vergleich zu den Rippen der Höhe h1 in vorzugsweise geringerer Rippenhöhe h2 bzw. h3 ausgeführt. So trifft hier die dem Drall folgende Strömung entgegen dem Stand der Technik gemäß EP 1.087.198 lediglich auf Erhebungen geringerer Höhe.
    • Figure imgb0011
       Allerdings fließt das durch die Reduzierung der Höhe der Erhebungen verfügbare Material nicht wie in US 6.298.909 in eine unnötige lokale Verstärkung der Wanddicke und somit in eine unnötige Vergrößerung des Rohrgewichtes, sondern wird erfindungsgemäß durch Aufbau des gitterartigen Musters bzw. der sich kreuzenden Rippen zur weiteren Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche und letztlich der Leistung genutzt, während die Wanddicke, gemessen am Nutgrund zwischen den Rippen der Höhe h1 in den Zonen der Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) bzw. in den Vertiefungen zwischen den Rippen in den Zonen gitterartigen Musters der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) außerhalb eines möglicherweise vorhandenen Schweißnahtabschnittes, in Umfangsrichtung des Rohres einheitlich ist (Anspruch 9). Weiterhin kann so sichergestellt werden, dass trotz der reduzierten Rippenhöhe in den Zonen gitterartigen Musters der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2,..., Km) bzgl. der Bandlängung beim Walzen vergleichbare Werte wie in den Zonen der Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) vorliegen. Unnötige Spannungen sowie eine eventuell auftretende Welligkeit des Bandes können so vermieden werden.
    • Figure imgb0012
       Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Struktur entsprechend den Ansprüchen 1 bis 9 besteht darin, dass diese Strukturierung in einem einzigen Walzschritt und mit einem einzigen Walzwerkzeug zu erzielen ist. Gegenüber gekerbten Strukturen wird so der nach Anzahl der Walz- und Arbeitsschritte zählende Produktionsaufwand reduziert. Jedoch kann eine zusätzliche Kerbung der Rippen in einzelnen Zonen der Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) (Anspruch 10) weitere Vorteile, insbesondere bzgl. einer weiteren Erhöhung der Leistung, zeigen.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 3 bis 8.
  • Die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres basiert beispielhaft auf dem im Folgenden näher beschriebenen Verfahren. Üblicherweise wird Kupfer oder eine Kupferlegierung als Material der Wärmeaustauschrohre verwendet, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht in dieser Weise beschränkt. Vielmehr kann jeder Metalltyp zur Anwendung kommen, z.B. Aluminium. Zunächst wird ein metallisches Flachband einem einstufigen Walzprägeschritt unterworfen, in dem es zwischen einer Strukturwalze mit einer zur erfindungsgemäßen Struktur komplementären Oberflächengestaltung und einer Stützwalze hindurchgeführt wird. Dabei wird eine Seite des Flachbandes mit der erfindungsgemäßen Struktur versehen, während die zweite Seite glatt bleibt oder auch eine hier nicht näher beschriebene Strukturierung aufweist. Lediglich die dem nachfolgenden Verschweißen dienenden Randbereiche der ersten Seite können eventuell andersartig strukturiert werden oder auch unstrukturiert bleiben. Nach dem Walzprägeschritt wird das strukturierte Flachband zu einem Schlitzrohr eingeformt, in einem Schweißprozess längsnahtgeschweißt und das Rohr gegebenenfalls noch in einem abschließenden Ziehprozeß auf den gewünschten Außendurchmesser gebracht. Eine mögliche Beeinflussung des Wärmeübertragungsvermögens des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres durch den die Schweißnaht umgebenden, andersartig strukturierten oder auch unstrukturierten Bereich ist unbedeutend und kann vernachlässigt werden.
  • Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1 einen Lamellenblock-Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik,
    • Fig. 2 perspektivisch einen Abschnitt eines innenberippten Wärmeaustauschrohres, bei dem ein Schweißnahtabschnitt in Rohrlängsrichtung verläuft,
    • Fig. 3 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche,
    • Fig. 4 schematisch die Definition des Steigungswinkels α,
    • Fig. 5 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 3, bei dem in den Zonen gerader Nummer die sich kreuzenden Rippen ein gitterartiges Muster bilden,
    • Fig. 6 schematisch eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 3,
    • Fig. 7 schematisch eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche, bei dem in den Zonen ungerader Nummer der Steigungswinkel von Zone zu Zone verschieden ist, und
    • Fig. 8 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 7, bei dem die Breite der Zonen verschieden ist, und
    • Fig. 9 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 5, bei der die Rippen in den Zonen ungerader Nummer (Z1, Z3, ...) eine Kerbung aufweisen, und
    • Fig.10 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt A-A aus Fig. 8,
    • Fig.11 schematisch den Aufbau einer Strukturwalze zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre.
  • Fig. 1 zeigt einen Lamellenblock-Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik mit horizontal angeordneten Wärmeaustauschrohren (4) und nicht näher bezifferten Lamellen.
  • In Fig. 2 ist ein Längenabschnitt eines längsnahtgeschweißten Wärmeaustauschrohres (4) mit dem Außendurchmesser D dargestellt. Das Wärmeaustauschrohr (4) weist eine glatte äußere Oberfläche, eine strukturierte Innenoberfläche und einen Schweißnahtabschnitt (7) auf. Eine Beeinflussung der Leistung eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres (4) durch die geringfügige Unterbrechung der Struktur der Innenoberfläche durch einen Schweißnahtabschnitt (7) kann vernachlässigt werden. Der Schweißnahtabschnitt (7) verläuft parallel zur Rohrlängsachse und liegt zwischen zwei in den nachfolgenden Figuren näher dargestellten Zonen Z, ohne das Wirken des Zonenwechsels merklich zu beeinflussen.
  • Fig. 3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die aufgeklappte Innenoberfläche eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres (4). Die Innenoberfläche ist in Umfangsrichtung in 5 Zonen (Z1 bis Z5) unterschiedlicher Breite (B1 bis B5) unterteilt, wobei in Zonen (Z1, Z3, ...) der Zonenklasse K1 Rippen (1) unter einem Steigungswinkel α1 zur Rohrlängsrichtung verlaufen. In den Zonen (Z2, Z4, ...) der Zonenklasse K2 verlaufen Rippen (2) unter einem Steigungswinkel α2 mit gleicher Rippenhöhe h2, wobei die Rippen (2) gekreuzt werden durch Rippen (3) gleicher Höhe. Innerhalb einer Zonenklasse K weisen die zugehörigen Zonen die gleiche Strukturierung hinsichtlich des Rippenmusters, der Rippenhöhe und des Steigungswinkels auf. Bei den sich kreuzenden Rippen (2) und (3) in Zonen der Zonenklasse K2 sind die jeweiligen Steigungswinkel α2 und α3 verschieden voneinander. Dargestellt ist auch die Kernwanddicke t. In dieser besonderen Ausführungsform sind die Rippen (2) fluchtend zu den Rippen (1) angeordnet und verlaufen unter gleichem Steigungswinkel (α2=α1) zur Rohrlängsrichtung. Die Breiten der Zonen einer Zonenklasse sind jeweils gleich, während die Zonen (Z1, Z3, Z5) der Zonenklasse K1 breiter ausgeführt sind als die Zonen (Z2, Z4) der Zonenklasse K2.
  • In Fig. 4 ist schematisch die Angabe der Steigungswinkel a verdeutlicht. Dabei wird die Rohrlängsrichtung als Nullpunkt (0°) aufgefasst, während Rippen (1a), die in Rohrlängsrichtung nach rechts von dieser 0°-Linie weglaufen, mit positivem Winkel (α>0) und Rippen (1 b), die in Rohrlängsrichtung nach links von dieser 0°-Linie weglaufen, mit negativem Winkel (α<0) beschrieben werden.
  • Fig. 5 zeigt schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 3, bei dem in den Zonen der Zonenklasse K2 die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) einen Schnittwinkel, berechnet als der Betrag des kleineren der beiden Komplementärwinkel |(α2-α3)| bzw. |(180°-(α2-α3))|,von circa 40° bilden. Dabei umschließen in den Zonen der Zonenklasse K2 die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) eine Vertiefung (5) vollständig, in dem sie einen geschlossenen Rippenzug rautenförmiger Art (6) bilden. Es entsteht ein gitterartiges Muster. Dabei sind die Rippen (2) und (3) in den Zonen der Zonenklasse K2 mit einer Rippenhöhe von h2 bzw. h3 kleiner als die Rippen (1) in den Zonen der Zonenklasse K1 mit der Rippenhöhe h1 ausgeführt. Die Rippen (3) verlaufen unter einem Winkel α3 gegenüber der Rohrlängsrichtung. Die Kernwanddikke t des Wärmeaustauschrohres (4), gemessen am Nutgrund (9) zwischen den Rippen (1) in den Zonen (Z1, Z3, ...) der zonenklasse K1 bzw. in den Vertiefungen (5) zwischen den Rippen (2,3) in den Zonen (Z2, Z4, ...) der Zonenklasse K2 außerhalb eines Schweißnahtabschnittes (7), ist in Umfangsrichtung des Rohres einheitlich.
  • Fig. 6 zeigt schematisch eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 3, bei dem in Zonen (Z2, Z4, ...) der Zonenklasse K2 die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) einen Schnittwinkel, berechnet als der Betrag des kleineren der beiden Komplementärwinkel |(α2-α3)| bzw. |180°-(α2-α3)|, von circa 90° bilden.
  • Fig. 7 zeigt schematisch eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche, bei dem die Zonen Z1 bis Z5 in drei Zonenklassen K1 bis K3 unterteilt sind. In den Zonen (Z1, Z5) der Zonenklasse K1 ist der Steigungswinkel der Rippen (1) α1, während in der Zone Z3 der Zonenklasse K2 der Steigungswinkel α1* ist. In der gezeigten Ausführungsform wird der Steigungswinkel der Rippen (1) gegenüber der Rohrlängsrichtung in den Zonen ungerader Nummer (Z1, Z3, Z5) von Zone zu Zone alternierend gewechselt zwischen α1 und α1*. In den Zonen (Z2, Z4) der Zonenklasse K3 bilden die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) ein gitterartiges Muster, in dem sie mehrere Vertiefungen (5) vollständig in jeweils einem geschlossenen Rippenzug rautenförmiger Art (6) umschließen.
  • Fig. 8 zeigt schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 7, bei dem die Breite der Zonen der Zonenklasse K3 (B2, B4) nur circa 50% der Breite der Zonen der Zonenklassen K1 und K2 (B1, B3, B5) beträgt.
  • Fig. 9 zeigt schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 5, bei der die Rippen in einzelnen Zonen eine Kerbung (8) aufweisen. In der gezeigten Ausführungsform weisen die Rippen (1) der Zone Z3 der Zonenklasse K2 Kerben (8) auf, die fluchtend hintereinander auf Linien liegen, welche unter einem Steigungswinkel α4 gegenüber der Rohrlängsrichtung verlaufen. Die Kerbtiefe k der Kerben (8) entsprechend der Darstellung in Fig. 10 beträgt mindestens 20% der Rippenhöhe h1 der Rippen (1).
  • In Fig. 11 ist schematisch der Aufbau einer Strukturwalze (11) zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre (4) dargestellt. Die Walze (11) ist aus mehreren Scheiben (12) aufgebaut. In die einzelnen Scheiben (12) sind Nuten (13, 14, 15) eingebracht, die beim Abrollen der Walze (11) auf dem Blechband (10), unterstützt von einer glatten Stützwalze (16), in einem Walzprägevorgang die Rippen (1, 2, 3) in den einzelnen Zonen Z1 bis Z5 erzeugen. Nach der dargestellten Strukturierung wird das Blechband (10) zu einem Schlitzrohr geformt und längsnahtgeschweißt, so dass ein Schweißnahtabschnitt (7) resultiert.
    • Zahlenbeispiel:
  • Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 5 ist gekennzeichnet durch einen Rohraußendurchmesser von 9,52mm und eine innere Oberfläche, welche in Umfangsrichtung des Rohres in sieben Zonen unterschiedlicher Breite unterteilt ist. Die Breite der Zonen ist alternierend durch einen Umfangswinkel von 72° (4 breite Zonen) bzw. 24° (3 schmale Zonen) vorgegeben. In den breiten Zonen sind in Umfangsrichtung jeweils 12 Rippen (1) mit der Rippenhöhe h1 von 0.25mm ausgebildet, die unter einem Steigungswinkel α1 von +20° zur Rohrlängsachse verlaufen und in den schmalen Zonen fluchtend unter gleichem Steigungswinkel (α3=α1) aber mit reduzierter Rippenhöhe h2 von 0.15mm fortgesetzt werden. So liegen in den schmalen Zonen in Umfangsrichtung jeweils 4 Rippen (2) vor. Die Rippen (2) werden in den Zonen gerader Nummer gekreuzt von Rippen (3), welche unter einem entgegengesetzten Steigungswinkel α3 von -20° zur Rohrlängsrichtung verlaufen, so dass der Schnittwinkel zwischen den Rippen (2) und (3) 40° beträgt. Die Rippenhöhe h3 beträgt 0.15mm. Die Rippendichte der Rippen (3) in den Zonen gerader Nummer (Z2, Z4, ...), gemessen als Rippenanzahl pro Längeneinheit in Richtung der Rippen (2), beträgt 1,45 pro Millimeter. Diese Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres zeigte gegenüber einem Rohr nach dem Stand der Technik besonders gute Eigenschaften bzgl. der Wärmeübergangsleistung und des Druckabfalls bei kleinem Metergewicht des Rohres.

Claims (10)

  1. Wärmeaustauschrohr (4), dessen Innenoberfläche in Umfangsrichtung in mindestens zwei parallel zur Rohrlängsachse verlaufende Zonen (Z1, Z2,..., Zn) unterteilt ist,
    wobei die Zonen sich in mindestens zwei Zonenklassen (K1, K2,..., Kj, Kj+1,...., Km) unterscheiden lassen und
    sich Zonen unterschiedlicher Zonenklasse in Umfangsrichtung in beliebiger Abfolge abwechseln,
    wobei in Zonen mindestens einer Zonenklasse (K1, K2, ..., Kj) Rippen (1) mit einer Rippenhöhe h1 und unter einem Steigungswinkel α1 zur Rohrlängsrichtung verlaufen, dergestalt dass bei Vorliegen von mehreren dieser Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) sich diese in mindestens einem der Merkmale Rippenhöhe und Steigungswinkel unterscheiden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in Zonen mindestens einer weiteren Zonenklasse (Kj+1, Kj+2, ...., Km) Rippen (2) mit einem Steigungswinkel α2 zur Rohrlängsrichtung und mit einer Rippenhöhe h2 vorliegen und von unter einem Steigungswinkel α3 zur Rohrlängsrichtung verlaufenden Rippen (3) einer Rippenhöhe h3 gekreuzt werden (α3≠α2),
    wobei die Rippenhöhen h2 und h3 der sich kreuzenden Rippen (2) und (3) in den Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) gleich oder vorzugsweise kleiner als die Rippenhöhen h1 der Rippen (1) in den in Umfangsrichtung nächstliegenden Zonen der Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) sind.
  2. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) einen Schnittwinkel von 30° bis 90° bilden.
  3. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) die Rippendichte der Rippen (3), gemessen als Rippenanzahl pro Längeneinheit in Richtung der Rippen (2), 0.5 - 4 pro Millimeter, vorzugsweise 1 - 3 pro Millimeter, beträgt.
  4. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
    in Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) ein gitterartiges Muster erzeugen, bei dem die Rippen (2) und (3) einer Zone mindestens eine Vertiefung (5) in einem vollständigen Kurvenzug (6) umschließen.
  5. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Zonen sich in zwei Zonenklassen (K1, K2) unterscheiden lassen und die Zonen der Zonenklassen K1 und K2 sich in Umfangsrichtung alternierend abwechseln,
    wobei in Zonen der Zonenklasse K1 Rippen (1) mit einer Rippenhöhe h1 und einem Steigungswinkel α1 zur Rohrlängsrichtung verlaufen
    und in Zonen der Zonenklasse K2 Rippen (2) fluchtend zu den Rippen (1) unter gleichem Steigungswinkel α2 (α2=α1) zur Rohrlängsrichtung mit der Rippenhöhe h2 verlaufen und von unter einem Steigungswinkel α3 zur Rohrlängsrichtung verlaufenden Rippen (3) einer Rippenhöhe h3 gekreuzt werden (α3≠α2).
  6. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite B der Zonen einer Zonenklasse, gemessen in Umfangsrichtung, jeweils gleich ist und die Breite der Zonen der Zonenklasse K2 kleiner als die Breite der Zonen der Zonenklasse K1 ist.
  7. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Zonen der Zonenklasse K2, gemessen in Umfangsrichtung, 3% bis 70% der Breite der Zonen der Zonenklasse K1 beträgt.
  8. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Rippenhöhe h1 der Rippen (1) 0.15 - 0.40 mm beträgt.
  9. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kemwanddicke des Wärmeaustauschrohres, gemessen am Nutgrund (9) zwischen den Rippen (1) in den Zonen der Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) bzw. in den Vertiefungen (5) zwischen den Rippen (2, 3) in den Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) außerhalb eines Schweißnahtabschnittes (7), in Umfangsrichtung des Rohres einheitlich ist.
  10. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
    in einzelnen oder mehreren Zonen der Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) die Rippen (1) Kerben (8) aufweisen, wobei die Kerben (8) fluchtend unter einem Winkel α4, welcher verschieden vom Steigungswinkel α1 der Rippen (1) der jeweiligen Zone ist, zur Rohrlängsrichtung verlaufen und die Kerbtiefe k mindestens 20% der Rippenhöhe h1 der Rippen (1) der jeweiligen Zone beträgt.
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