KR20230098133A - 금속 열교환기 튜브 - Google Patents

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KR20230098133A
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아힘 고터바름
만프레트 크나프
로날드 루츠
쫑 뤄
지안잉 차오
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빌란트-베르케악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 리브 풋(3), 리브 플랭크(4) 및 리브 팁(5)을 갖으며 튜브 외측에 일체로 형성된 리브(2)를 갖는 금속 열교환기 튜브(1)에 관한 것으로, 상기 리브 풋(3)은 튜브 벽(10)으로부터 방사상 방향으로 돌출하고, 채널 기부(61)를 갖는 채널(6)이 리브(2) 사이에 형성되고, 상기 채널 내에 서로 이격된 추가 구조체(7, 71, 72)가 배치된다. 추가 구조체(7, 71, 72)는 리브(2) 사이의 채널(6)을 세그먼트(8)로 세분한다. 추가 구조체(7, 71, 72)는 2개의 리브(2) 사이의 채널(6) 내의 관류 가능한 단면적을 국부적으로 감소시키고, 이로 인해 적어도 작동 중에 채널(6) 내의 유체 흐름을 제한한다. 제1 추가 구조체(7, 71)는 채널 기부(61)로부터 방사상 방향으로 외측을 향한 돌출부(71)이고, 상기 돌출부는 채널 기부(61)와 리브 팁(5) 사이에 위치한 폐쇄면(713)에 의해 각각 방사상 방향으로 한정되고, 이로 인해 돌출부(71)의 방사상 방향 연장부가 한정된다. 제2 추가 구조체(7, 72)로서 방사상 방향으로 외측에 놓인 캐비티(72)가 돌출부(71)의 위치에 배치되고, 상기 캐비티는 돌출부(71)의 방사상 방향으로 외측에 배치된 폐쇄면(713)과 리브 플랭크(4)의 재료로 형성된다. 캐비티는 폐쇄면(713)과 리브 팁(5) 사이에 각각 방사상 방향으로 배치되어, 채널(6)의 채널 기부(61) 위의 돌출부(71)의 방사상 방향 연장부 주위에서 리브 플랭크(4)에 측면으로 위치하는 상기 캐비티(72)가 형성된다. 캐비티(72)는 축방향으로 개방되어 있다.

Description

금속 열교환기 튜브
본 발명은 청구항 제1항의 전제부에 따른 금속 열교환기 튜브에 관한 것이다.
공정 및 에너지 기술뿐만 아니라 냉각 및 공조 기술의 여러 분야에서 증발이 발생한다. 순수 물질 또는 혼합물의 액체가 튜브 외측에서 증발하고 염수 또는 물이 튜브 내측에서 냉각되는 튜브 번들 열교환기가 자주 사용된다.
튜브 외측과 튜브 내측에서 열 전달의 집중으로 인해 증발기의 크기가 상당히 감소할 수 있다. 이로 인해 그러한 장치의 제조 비용이 감소한다. 또한, 현재 주로 사용되는 무염소 안전 냉매의 경우 전체 시스템 비용에서 무시할 수 없는 비용 부분을 차지할 수 있는 필수적인 냉매의 충전량이 줄어든다. 또한 오늘날 일반적으로 사용되는 고성능 튜브는 동일한 직경의 매끄러운 튜브보다 약 4배는 더 성능이 우수하다.
만액식 증발기용으로 시중에서 구매 가능한 가장 고성능의 리브 튜브는 외측에 인치당 55 내지 60개의 리브 밀도를 갖는 리브 구조(rib structure)를 갖는다(US 5,669,441 A; US 5,697,430 A; DE 197 57 526 C1). 이는 약 0.45 내지 0.40 mm의 리브 피치에 해당한다. 또한, 리브 사이의 홈 기부(groove base)의 영역에 추가 구조 요소를 도입함으로써, 리브 피치가 일정하며 성능이 보강된 증발 구조가 생성될 수 있는 것이 공개되어 있다.
EP 1 223 400 B1에서 1차 홈(primary groove)을 따라 연속해서 연장하는 후방 절단된 2차 홈을 리브 사이의 홈 기부에 생성하는 것이 제안된다. 이러한 2차 홈의 단면은 일정하게 유지되거나 일정한 간격으로 변경될 수 있다.
또한, DE 10 2008 013 929 B3호에는 국부적 캐비티로서 형성된 홈 기부 상의 구조가 공개되어 있는데, 이에 의하여 증발 동안 열 전달을 높이기 위해 기포 비등 과정이 강화된다. 1차 홈 기부 근처의 캐비티의 위치는 증발 과정에 바람직한데, 그 이유는 홈 기부에서 초과 온도가 최대이고 따라서 거기에서 기포 형성을 위한 최대 구동 온도 차이가 가능하기 때문이다.
홈 기부 상의 구조의 다른 예는 EP 0 222 100 B1, US 7,254,964 B2 또는 US 5,186,252 A에서 볼 수 있다. 이러한 구조들의 공통점은 홈 기부에 있는 구조 요소가 언더컷 형태를 갖지 않는다는 것이다. 이것들은 채널의 하부 영역의 돌출부이거나 홈 기부 내로 삽입된 오목부이다. 채널 내의 유체 흐름이 바람직하지 않게 열교환을 방해할 위험이 있기 때문에, 선행 기술에는 더 높은 돌출부가 명시적으로 배제된다.
홈 기부에서 시작되는 더 높은 구조체를 포함하는 다른 해결 방법이 EP 3 111 153 B1에 개시되어 있다. 이 구조체들은 분할을 일으키는 채널 내의 돌출부이다. 2개의 리브 사이의 분할에 의해 채널은 원주 방향으로 반복적으로 중단되고 따라서 채널 내에서 열교환 유체 및 생성되는 기포의 이동이 적어도 부분적으로 또는 완전히 방지된다. 채널을 따른 액체와 증기의 교환은 각각의 추가 구조체에 의해 지원이 점점 줄어들거나 전혀 지원되지 않는다.
본 발명의 과제는 튜브 외측에서 액체를 증발시키기 위한 성능이 강화된 열교환기 튜브를 개선하는 것이다.
본 발명은 청구항 제1 항의 특징들에 의해 재현된다. 다른 종속 청구항은 본 발명의 바람직한 개선 및 추가적인 개선에 관한 것이다.
본 발명은 리브 풋, 리브 플랭크 및 리브 팁을 가지며 튜브 외측에 일체로 형성된 리브를 가진 금속 열교환기 튜브를 포함하며, 상기 리브 풋은 튜브 벽으로부터 방사상 방향으로 돌출하고, 채널 기부(channel base)를 갖는 채널이 리브 사이에 형성되고, 상기 채널 내에 서로 이격된 추가 구조체들이 배치된다. 추가 구조체는 리브 사이의 채널을 세그먼트로 세분한다. 추가 구조체는 2개의 리브 사이의 채널 내의 관류 가능한 단면적을 감소시키고 이로 인해 적어도 작동 중에 채널 내의 유체 흐름을 제한한다. 제1 추가 구조체는 채널 기부로부터 방사상 방향으로 외측을 향한 돌출부이고, 상기 돌출부는 채널 기부와 리브 팁 사이에 위치한 폐쇄면에 의해 각각 방사상 방향으로 한정되고, 이로 인해 돌출부의 방사상 방향 연장부가 한정된다. 방사상 방향으로 외측에 위치하는 캐비티가 제2 추가 구조체로서 돌출부의 위치에 배치되고, 상기 캐비티는 돌출부의 방사상 방향으로 외측에 배치된 폐쇄면과 리브 플랭크의 재료로 형성된다. 캐비티는 폐쇄면과 리브 팁 사이에 방사상 방향으로 각각 배치되어, 리브 플랭크에 측면에 위치하는 캐비티는 채널의 채널 기부 위의 돌출부의 방사상 방향 연장부 주위에 형성된다. 캐비티는 축방향으로 개방되어 있다.
이러한 금속 열교환기 튜브는 특히 튜브 외측의 순수 물질 또는 혼합물에서 액체를 증발시키는 데 이용된다.
이러한 고성능 튜브는 압연 디스크를 이용해서 일체형으로 압연된 리브형 튜브를 기반으로 제조될 수 있다. 일체형으로 압연된 리브형 튜브란 리브가 매끄러운 튜브의 벽 재료로 형성된 리브형 튜브를 의미한다. 튜브 외측에 형성된 전형적인 일체형 리브는 예를 들어 나선형으로 둘러싸고, 리브 풋, 리브 플랭크 및 리브 팁을 가지며, 상기 리브 풋은 실질적으로 튜브 벽으로부터 방사상 방향으로 돌출한다. 리브의 개수는 튜브의 축방향으로 연속하는 볼록부(bulges)를 카운트함으로써 결정된다. 본 발명에 따른 구조는 리브 플랭크로부터 돌출부로 재료를 예비 성형하는 예리한 에지의 압연 디스크, 및 채널 기부 상의 벽 재료 및 리브 플랭크 상의 예비 성형된 재료를 성형하는 공정 기술적으로 후속하는 톱니형 압연 디스크에 의해 제조될 수 있다. 말하자면, 본 발명에 따른 구조는 채널 바닥에 있는 벽 재료와 리브 플랭크의 재료를 캐비티로 성형하는 톱니형 압연 디스크에 의해서만 제조될 수 있다.
이 경우, 채널과 주변 사이의 연결부가 기공 또는 슬릿 형태로 유지되도록, 인접한 리브 사이에 위치한 채널들을 폐쇄하는 다양한 방법이 공개되어 있다. 특히, 실질적으로 폐쇄된 이러한 채널은 리브를 구부리거나 접음으로써, 리브를 분할하고 업세팅(upsetting)함으로써 또는 리브를 노칭(notching)하고 업세팅함으로써 생성된다.
본 발명은 증발 시 열 전달을 높이기 위해 리브 간극이 추가 구조체에 의해 세분화된다는 사실을 고려하는 것에 기초한다. 이로 인해 간극에서 국부적인 과열이 발생하고 기포 비등 과정이 강화된다. 그런 다음 주로 세그먼트 내에서 기포 형성이 이루어지며 핵 생성 부위에서 시작된다. 이러한 핵 생성 부위에서 먼저 작은 가스 또는 증기 기포가 형성된다. 성장하는 기포가 특정 크기에 도달하면, 상기 기포는 표면에서 분리된다. 기포 분리 과정에서 세그먼트 내의 나머지 공동(空洞)은 다시 액체로 채워지고 사이클이 다시 시작된다. 표면은, 기포의 분리 시 작은 기포가 남고, 상기 작은 기포는 기포 형성의 새로운 사이클을 위한 핵 생성 부위로서 이용되도록 설계될 수 있다.
세그먼트 내에 기포 형성에 추가하여, 본 발명의 해결책에 따라 방사상 방향으로 외측을 향하는 돌출부 형태의 제1 추가 구조체 영역에 추가 기포 핵 생성 부위가 위치한다. 기포 핵 생성 부위는 방사상 방향으로 외측에 있는 캐비티로서 돌출부 상에 배치된다. 세그먼트 내의 기포 형성에 기여하는 기포 핵은 바람직하게는 캐비티에 의해 형성된 공동에 형성된다. 돌출부는 인접한 리브의 각각의 리브 풋 사이에서 축 방향으로 전체 채널 기부에 걸쳐 또는 채널 기부의 일부에 걸쳐서만 연장될 수 있다. 돌출부는 채널 기부에서부터 2개의 리브 사이에 뻗어 있는 일종의 배리어(barrier)이고, 이것은 방사상 방향으로 외측으로 연장되고 채널을 원주 방향으로 적어도 부분적으로 폐쇄한다. 서로 이격되어 채널 내에서 서로 연속하는 돌출부 및 추가 구조체로서 방사상 방향으로 외측에 놓이도록 형성된 캐비티는 각각 높이와 형상이 변할 수 있다.
다시 말해서, 채널 기부 구조의 바람직하게 중실 돌출부 상에 배치된 캐비티는 리브 플랭크의 재료로 형성되고, 아래에 놓인 돌출부의 2개의 측면으로의 유동 전이부를 각각 실질적으로 방사상 방향으로 형성한다. 캐비티는 리브 팁의 방향의 폐쇄부인 덮개면과 측면으로뿐만 아니라, 리브 플랭크의 후방측을 한정하는 표면 부분과 돌출부의 방사상 방향으로 외측에 배치된 폐쇄면으로 동굴처럼 형성된다. 캐비티에서 이러한 측면과 덮개면은 대략 튜브 종축 방향으로 연장하고 예를 들어 이러한 축방향으로 대략 채널 중심까지 이어지는 경계면을 형성한다. 돌출부의 방사상 방향으로 외측에 배치된 폐쇄면은 채널의 전체 폭에 걸쳐 연장될 수 있다. 캐비티는 축방향으로 기포 핵의 배출을 위한 개구를 갖는다. 거기에서부터 기포 핵은 원주 방향으로 인접하는 2개의 세그먼트에서 기포 형성에 기여할 수 있다. 돌출부 상에 배치된 기포 핵의 이러한 배출 지점의 위치에서, 기체 유체로 형성된 기포 핵이 거기에서 우세하지 않고 실질적으로 통과를 방해하지 않는 한, 인접한 세그먼트 사이에서 액체 유체도 교환될 수도 있다. 즉, 기포 핵이 인접한 세그먼트의 연결 지점을 채우지 않는 한, 액체 유체도 하나의 세그먼트로부터 인접 세그먼트에 도달할 수도 있다. 배치된 캐비티를 갖는 돌출부는 따라서 유체 통과를 위한 배리어이다.
이 경우, 캐비티의 측면도 이웃하는 리브를 향한 축방향으로 덮개면보다 길게 설계될 수 있다. 이로 인해 튜브 종축에 대해 경사진 캐비티의 개구가 생기고, 상기 캐비티는 기포가 성장할 수 있도록 인접한 세그먼트로 기포 핵을 더 쉽게 방출한다. 캐비티의 개구를 형성하는, 측면 및 덮개면의 전면측 윤곽선은 곡선으로 또는 불규칙하게 설계될 수 있다. 이러한 바람직한 실시예에서도 캐비티는 특정 경사 위치에서도 실질적으로 축방향으로 개방되어 유지된다.
본 발명에서, 2개의 리브 사이의 채널의 이러한 유형의 세분화에 의해 상기 채널은 원주 방향으로 반복적으로 중단되고 따라서 채널 내에서 발생하는 기포의 이동이 적어도 감소하거나 완전히 방지된다. 채널을 따른 액체와 증기의 교환은 각각의 추가 구조체에 의해 지원이 점점 줄어들거나 전혀 지원되지 않는다.
본 발명의 특수한 장점은, 액체와 증기의 교환이 국부적으로 표적화되어 제어되고 세그먼트에서 기포 핵 생성 부위의 범람이 국부적으로 이루어지는 것이다. 전체적으로, 채널 세분화의 의도한 선택을 통해 증발기 튜브 구조는 작동 파라미터에 따라 효과적으로 최적화될 수 있으며, 그 결과 열 전달의 증가가 달성된다. 홈 기부의 영역에서 리브 풋의 온도는 리브 팁에서보다 높기 때문에, 구조 요소들은 홈 기부에서 기포 형성을 강화하는 데 특히 효과적이다.
또한 바람직하게, 추가 구조체는 2개의 리브 사이의 채널 내의 관류 가능한 단면적을 국부적으로 감소시킨다. 전체적으로, 채널 세분화 시 개별 채널 섹션들의 증가하는 분리에 의해 증발기 튜브 구조는 작동 파라미터에 따라 추가로 열 전달의 증가에 더욱 최적화될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에서, 돌출부와 캐비티는 2개의 리브 사이의 채널 내의 관류 가능한 단면적을 국부적으로 적어도 30% 감소시킬 수 있다. 이러한 방식으로 세그먼트는 유체 통과를 위해 충분하게 국부적으로 한정된다. 2개의 세그먼트 사이에 위치한 채널 섹션은 이로써 인접하는 채널 섹션에 대해 유체에 관하여 충분히 또는 거의 완전히 분리된다.
바람직하게는 돌출부와 캐비티는 2개의 리브 사이의 채널 내의 관류 가능한 단면적을 국부적으로 40 내지 70% 감소시킬 수 있다. 2개의 세그먼트 사이에 위치한 채널 섹션은 인접하는 채널 섹션에 대해 유체측에 중요한 배리어를 형성한다.
본 발명의 바람직한 구현예에서 채널은 개별적인 국부적 개구를 제외하고 방사상 방향으로 외측으로 폐쇄될 수 있다. 리브는 실질적으로 T형 또는
Figure pct00001
형 단면을 가질 수 있으며, 이에 의해 리브들 사이의 채널은 국부적 개구인 기공을 제외하고는 폐쇄된다. 증발 과정에서 생기는 증기 기포는 상기 개구를 통해 빠져나갈 수 있다. 리브 팁은 선행 기술에 제시된 방법으로 변형된다.
이와 관련하여 리브 팁도 축 방향으로 접힐 수 있거나 심지어 어느 정도 채널 기부의 방향으로 형성될 수 있다. 결과적으로 채널은 아래에서 그리고 측면에서 및/또는 위에서 서로를 보완하는 다수의 구조 요소의 조합으로 필요한 정도로 테이퍼링되거나 또는 완전히 폐쇄될 수 있다. 어쨌든 리브 사이의 채널은 분리된 세그먼트로 분할된다.
기공 또는 슬릿을 제외하고 폐쇄된 채널과 본 발명에 따른 세그먼트의 조합에 의해 작동 조건의 매우 광범위한 범위에서 액체 증발 시 매우 높은 성능을 갖는 구조가 얻어진다. 특히, 열 유속 밀도(heat flow density)나 구동 온도차(driving temperature difference)의 변화 시 구조의 열전달 계수는 변함없는 높은 수준에 도달한다.
본 발명의 바람직한 구현예에서 세그먼트당 적어도 하나의 국부적 개구가 제공될 수 있다. 이러한 최소 요구는 또한, 증발 과정 시 채널 세그먼트에 생기는 가스 기포가 외부로 빠져나갈 수 있는 것을 보장한다. 국부적인 개구의 크기 및 형상은, 액체 매질도 통과하여 채널 섹션으로 흐를 수 있도록 설계된다. 국부적인 개구에서 증발 과정이 지속되기 위해서는, 동일한 양의 액체와 증기가 개구를 통해 서로 반대 방향으로 운반되어야 한다. 일반적으로 튜브 재료를 잘 적시는 액체가 사용된다. 이러한 액체는 모세관 효과로 인해 과압에도 불구하고 외부 튜브 표면에 있는 각각의 개구를 통해 채널 내로 도입될 수 있다.
또한, 세그먼트 개수에 대한 국부적 개구의 개수의 비율은 1:1 내지 6:1일 수 있다. 더 바람직하게는, 이 비율은 1:1 내지 3:1일 수 있다. 리브 사이에 위치한 채널은 상부 리브 영역의 재료에 의해 실질적으로 폐쇄되며, 이 경우 채널 세그먼트의 이와 같이 생성되는 공동(空洞)은 개구를 통해 주변 공간에 연결된다. 이러한 개구는 또한 기공으로서 형성될 수도 있으며, 상기 기공은 동일한 크기이거나 2개 이상의 크기 등급으로 구현될 수도 있다. 하나의 세그먼트에 다수의 국부적 개구가 형성되는 상황에서, 2개의 크기 등급을 갖는 기공이 특히 적합할 수 있다. 규칙적으로 반복되는 방식에 따르면, 채널을 따라 예를 들어 하나의 작은 개구마다 하나의 큰 개구가 뒤따른다. 이러한 구조에 의해 채널 내에 지향성 흐름이 생성된다. 액체는 모세관 압력의 지원으로 바람직하게 작은 기공을 통해 흡수되어 채널 벽을 적시고, 이에 의해 얇은 필름이 생성된다. 증기는 채널 중앙에 축적되고 모세관 압력이 가장 낮은 지점에서 빠져나간다. 동시에 큰 기공은, 증기가 충분히 신속하게 빠져나갈 수 있고 채널이 건조해지지 않도록, 치수 설정되어야 한다. 그러면 더 작은 액체 기공에 대한 증기 기공의 크기와 빈도가 서로 조정되어야 한다.
본 발명의 바람직한 구현예에서 제1 추가 구조체인 돌출부는 적어도 일체형으로 둘러싸는 2개의 리브 사이의 채널 기부의 재료로 형성될 수 있다. 이에 의하여 튜브 벽으로부터 각각의 구조 요소로의 양호한 열교환을 위해 재료 본딩 연결(Stoffschluessige Verbindung)이 유지된다. 또한 돌출부는 추가로 리브 플랭크의 재료로 구성될 수도 있다. 채널 기부의 균일한 재료로 이루어진 채널의 세분화는 증발 과정에 특히 바람직하다.
특히 바람직한 구현예에서 제1 추가 구조체인 돌출부는 0.15 내지 1 mm의 높이를 가질 수 있다. 추가 구조체의 이러한 치수는 고성능 리브 튜브에 특히 양호하게 매칭되고, 외부 구조의 구조 크기가 바람직하게는 서브밀리미터 내지 밀리미터 범위임을 나타낸다.
바람직하게는 돌출부는 비대칭 형상을 가질 수 있다. 구조의 비대칭은 이 경우 튜브 종축에 대해 수직으로 연장되는 절단면에 나타난다. 비대칭 형상은, 특히 더 큰 표면이 형성되는 경우에, 증발 과정에 추가로 기여할 수 있다. 비대칭은 채널 기부의 추가 구조체에서는 물론 리브 팁에서 두드러질 수 있다.
본 발명의 바람직한 구현예에서 돌출부는 튜브 종축에 대해 수직으로 연장되는 절단면에 사다리꼴 단면을 가질 수 있다. 일체형으로 압연된 리브 튜브 구조와 관련하여 사다리꼴 단면은 기술적으로 제어하기 쉬운 구조 요소이다. 이 경우 사다리꼴의 그렇지 않으면 평행한 밑변의 제조로 인한 약간의 비대칭이 나타날 수 있다.
바람직하게는 돌출부의 위치에 튜브 종축의 방향으로 2개의 대향하는 캐비티가 형성될 수 있다. 그 결과 기포 핵의 배출을 위한 개구는 2개의 캐비티에서 축방향으로 서로 정반대에 놓인다. 거기에서 시작하여 기포 핵은 원주 방향으로 인접하는 2개의 세그먼트에서 기포 형성에 기여할 수 있다. 2개의 캐비티가 배치된 돌출부는 결과적으로 유체 통과를 위한 배리어이다. 이 경우 기포의 성장을 위해 인접한 세그먼트로 기포 핵을 더 쉽게 방출하는, 튜브 종축에 대해 경사진 캐비티의 개구가 특히 바람직한 것으로 입증될 수 있다.
본 발명의 실시예는 개략도를 참조하여 상세히 설명된다.
도 1은 추가 구조체에 의해 세분된 세그먼트를 갖는 열교환기 튜브 단면을 개략적으로 도시한 부분도이다.
도 2는 접힌 리브 팁을 갖는 열교환기 튜브의 외부 구조의 일부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 돌출부의 위치에 있는 캐비티를 개략적으로 도시한 세부도이다.
도 4는 돌출부의 위치에 있는 2개의 대향하는 캐비티를 갖는 열교환기 튜브의 외부 구조의 부분을 개략적으로 도시한 사시도이다.
서로 대응하는 부분들은 모든 도면에서 동일한 도면 부호를 갖는다.
도 1은 추가 구조체(7)에 의해 세분된 세그먼트(8)를 갖는 본 발명에 따른 열교환기 튜브(1)의 단면의 부분도를 개략적으로 도시한다. 일체형으로 압연된 열교환기 튜브(1)는 튜브 외측면에 나선형으로 둘러싸는 리브(2)를 갖고, 리브 사이에 1차 홈이 채널(6)로서 형성된다. 리브(2)는 튜브 외측면에서 나선형 라인을 따라 중단없이 연속해서 연장된다. 리브 풋(3)은 튜브 벽(10)으로부터 실질적으로 방사상 방향으로 돌출한다. 리브 높이(H)는 완성된 열교환기 튜브(1)에서 채널 기부(61)의 가장 깊은 지점으로부터 완전히 형성된 리브 튜브의 리브 팁(5)까지 측정된다.
채널 기부(61)와 리브 팁(5) 사이에 위치한 폐쇄면(713)에 의해 방사상 방향으로 각각 제한되고 방사상 방향으로 외측을 향한 돌출부(71) 형태의 추가 구조체(7)가 채널 기부(61)의 영역에 배치된 열교환기 튜브(1)가 제안된다. 이러한 돌출부(71)는 제1 추가 구조체로 지칭되고, 채널 기부(61)로부터 튜브 벽(10)의 재료로 형성된다. 돌출부(71)는 바람직하게 일정한 간격으로 채널 기부(61)에 배치되고, 리브(2)의 리브 풋(3)으로부터 도면 평면에 도시되지 않은 그 위에 있는 다음 리브 풋의 방향으로 적어도 부분적으로 또는 완전히 채널 경로에 대해 가로로 연장된다. 돌출부(71)의 위치에 방사상 방향으로 외측에 위치하는 캐비티(72)가 제2 추가 구조체(7)로서 배치되고, 상기 캐비티는 돌출부(71)의 방사상 방향으로 외측에 배치된 폐쇄면(713) 및 리브 플랭크(4)의 재료로 형성된다. 캐비티는 폐쇄면(713)과 리브 팁(5) 사이에 각각 방사상 방향으로 배치되어, 채널(6)의 채널 기부(61) 위의 돌출부(71)의 방사상 방향 연장부 주위에 리브 플랭크(4)에 측면으로 위치하는 캐비티(72)가 형성된다. 캐비티(72)는 축방향으로 개방되어 있다. 이러한 방식으로 채널(6)인 1차 홈은 규칙적인 간격으로 적어도 부분적으로 테이퍼링된다. 이로 인해 생기는 세그먼트(8)는 특수한 방식으로 캐비티(72)와 관련하여 기포 핵 형성을 촉진한다. 개별 세그먼트들(8) 사이의 액체와 증기의 교환은 적어도 감소한다.
방사상 방향으로 외측에 놓인 캐비티(72)를 갖는 채널 기부(61) 상에 돌출부(71)의 형성에 추가하여 리브(2)의 원위 영역인 리브 팁(5)은, 채널(6)을 축방향으로 접힌 리브 팁(51)으로 방사상 방향으로 부분적으로 폐쇄하는 방식으로 적절하게 변형된다. 증기 기포가 채널(6)로부터 빠져나갈 수 있도록, 채널(6)과 주변 사이의 연결부는 국부적 개구인 기공(9)의 형태로 설계된다. 리브 팁(5)은 선행 기술에 제시된 압연 방법으로 변형된다. 1차 홈(6)은 이로 인해 언더커팅된 홈이다. 추가 구조체(7)인 돌출부(71)와 캐비티(72)의 조합에 의해 공동 형태의 세그먼트(8)가 얻어지며, 상기 세그먼트는 또한 작동 조건의 광범위한 범위에 걸쳐 액체의 증발 시 매우 높은 성능을 갖는 것을 특징으로 한다. 액체는 세그먼트(8) 내에서 추가 핵 생성 부위인 캐비티(72)의 지원으로 증발한다. 생성되는 증기는 액체 유체도 계속해서 유동하는 국부적인 개구(9)에서 채널(6)로부터 배출된다. 습윤성이 좋은 튜브 표면도 유체의 후속 흐름에 유용할 수 있다.
본 발명에 따른 해결책은 튜브 외측에서 열 전달 계수가 증가하는 구조화된 튜브에 관한 것이다. 열 전달 저항의 대부분이 내측으로 이동하지 않도록 하기 위해, 내측에서 열 전달 계수는 적절한 내부 구조체(11)에 의해 추가로 강화될 수도 있다. 튜브 번들 열교환기용 열교환기 튜브(1)는 일반적으로 적어도 하나의 구조화된 영역과 매끄러운 단부 피스(end pieces) 및 경우에 따라서는 매끄러운 중간 피스(intermediate pieces)를 갖는다. 매끄러운 단부 피스 또는 중간 피스는 구조화된 영역을 한정한다. 열교환기 튜브(1)가 문제없이 튜브 번들 열교환기 내에 설치될 수 있도록, 구조화된 영역의 외경은 매끄러운 단부 피스 및 중간 피스의 외경보다 크지 않아야 한다.
도 2는 접힌 리브 팁(51)을 갖는 열교환기 튜브(1)의 외부 구조의 일부의 사시도를 개략도적으로 도시한다. 더 나은 예시를 위해, 이해를 돕는데 가장 중요한 외부 구조의 구조 요소들만이 도시되어 있다. 방사상 방향으로 외측에 위치한 캐비티(72)를 갖는 채널 기부(61)에 돌출부(71)를 형성하는 것에 추가하여, 리브(2)의 원위 영역인 리브 팁(5)은, 축 방향으로 접힌 리브 팁(51)으로 채널(6)을 방사상 방향으로 부분적으로 폐쇄하는 방식으로 변형된다. 채널(6)과 주변 사이의 연결부는 채널(6)로부터 증기 기포를 제거하고 채널(6) 내로 액체 유체를 유입시키기 위한 국부적 개구(9)로서 설계된다. 1차 홈(6)은 이러한 방식으로 다시 언더커팅된 홈이다. 축방향으로 접힌 리브 팁(51)은 리브(2)로부터 형성되고, 따라서 채널(6)을 넘어서 축방향으로 연장된다. 리브 플랭크(4)로부터 접힌 리브 팁(51)으로의 전이 영역은 도면에서 리브 경로를 따라 작은 고원형 구조(plateau-like structure)에 의해 도시된다. 추가 구조체(7)에 의해 2개의 리브(2) 사이의 채널(6) 내의 관류 가능한 단면적이 국부적으로 특히 효과적으로 감소하여, 작동 중에 채널(6) 내의 유체 흐름이 제한될 수 있다.
도 3은 돌출부(71)의 위치에서 캐비티(72)의 상세도를 개략적으로 도시한다. 바람직하게는 중실 돌출부(71) 상에 방사상 방향으로 배치된 캐비티(72)는 톱니형 압연 디스크에 의해 리브 플랭크(4)의 재료로 제조되고, 상기 압연 디스크는 채널 기부(61) 상의 벽 재료와 리브 플랭크(4) 상의 재료를 형성한다. 따라서 돌출부(71) 및 캐비티(72)가 튜브 벽의 상이한 영역으로 형성되지만, 캐비티(72)는 그 아래에 있는 돌출부(71)의 2개의 측면(711)으로 실질적으로 방사상 방향으로 경계가 없는 전이부를 형성할 수 있다. 이러한 경우에 돌출부(71)는 채널 기부(61)의 부분에서만 연장되고, 튜브 축방향으로 전면(712)으로 끝난다. 캐비티(72)는 측면(721)과 덮개면(722)으로 및 돌출부(71)의 방사상 방향으로 외측에 배치된 폐쇄면(713)과 리브 플랭크의 (도 3에서 측면(721)에 의해 덮인) 후방을 한정하는 표면 부분으로 동굴처럼 형성된다. 돌출부(71)의 측면(721), 덮개면(722) 및 폐쇄면(713)은 캐비티(72)의 경계면이며, 상기 경계면은 대략 튜브 종축(A)의 방향으로 연장되고, 예를 들어 이러한 축방향으로 대략 채널 중앙까지 나타난다. 이 경우, 돌출부(71)의 폐쇄면(713)은 튜브 종축(A)의 방향으로 더 연장되거나 대향하는 리브 사이의 전체 채널 폭에 걸쳐 연장될 수 있다. 캐비티(72)는 실질적으로 튜브의 축방향으로 기포 핵의 배출을 위한 개구(723)를 갖는다. 여기서부터 기포 핵은 원주 방향으로 인접한 2개의 세그먼트(8)에서 기포 형성에 기여할 수 있다. 캐비티(72)가 배치된 돌출부(71)는 결과적으로 유체 통과를 위한 배리어이다.
도 3에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 캐비티(72)의 측면(721)은 이웃하는 리브를 향한 축 방향으로 덮개면(722)보다 길게 설계된다. 이로 인해 튜브 종축(A)에 대해 경사진 캐비티(72)의 개구(723)가 형성되고, 상기 개구는 기포의 성장을 위해 인접한 세그먼트(8)로 기포 핵을 더 쉽게 방출한다. 그럼에도 불구하고 이로 인해 캐비티(72)는 개구(723)가 약간 경사지더라도 실질적으로 축방향(A)으로 개방되어 있다.
도 4는 돌출부(71)의 위치에 2개의 대향하는 캐비티(72) 및 접힌 리브 팁(51)을 갖는 열교환기 튜브(1)의 외부 구조의 일부에 대한 사시도로 개략적으로 도시한다. 더 나은 예시를 위해, 이해를 돕는데 가장 중요한 외부 구조의 구조 요소들만이 도시되어 있다. 방사상 방향으로 외측에 위치한 캐비티(72)를 갖는 채널 기부(61) 상에 돌출부(71)를 형성하는 것에 추가하여, 리브(2)의 원위 영역인 리브 팁(5)은, 다시 채널(6)을 축방향으로 접힌 리브 팁(51)으로 방사상 방향으로 부분적으로 폐쇄하는 방식으로 변형된다. 채널(6)과 주변 사이의 연결부는 채널(6)로부터 증기 기포를 제거하고 채널(6) 내로 액체 유체를 유입시키기 위한 국부적 개구(9)로서 설계된다. 추가 구조체(7)인 돌출부(71) 및 캐비티(72)에 의해, 2개의 리브(2) 사이의 채널(6) 내의 관류 가능한 단면적이 특히 효과적으로 국부적으로 감소하여, 작동 중에 채널(5) 내의 유체 흐름이 제한될 수 있다.
이러한 경우에 돌출부(71)는 튜브 종축(A)의 방향으로 인접한 리브들(2) 사이의 전체 채널 폭에 걸쳐 연장된다. 방사상 방향으로 외측에 위치한 2개의 대향하는 캐비티(72)가 돌출부(71)의 위치에 형성된다. 결과적으로 기포 핵의 배출을 위한 개구는 2개의 캐비티(72)에서 축방향(A)으로 서로 직접적으로 대향된다. 여기서부터 기포 핵은 원주 방향으로 인접하는 2개의 세그먼트에서 기포 형성에 기여할 수 있다. 2개의 캐비티(72)가 배치된 돌출부(71)는 결과적으로 유체 통과를 위한 배리어이다. 이 경우 튜브 종축(A)에 대해 약간 경사진 캐비티(72)의 개구도 특히 바람직한 것으로 입증될 수 있으며, 상기 개구는 기포의 성장을 위해 인접한 세그먼트로 기포 핵을 더 쉽게 방출한다.
1 열교환기 튜브
2 리브
3 리브 풋
4 리브 플랭크
5 리브 팁, 리브의 원위 영역
51 축방향으로 접힌 리브 팁
6 채널, 1차 홈
61 채널 기부
7 추가 구조체
71 채널 기부에서의 제1 추가 구조체인 돌출부
711 돌출부의 측면
712 돌출부의 전면
713 돌출부의 폐쇄면
72 제2 추가 구조체인 캐비티
721 캐비티의 측면
722 캐비티의 덮개면
723 캐비티의 개구
8 세그먼트
9 국부적 개구, 기공
10 튜브 벽
11 내부 구조체
A 튜브 종축
H 리브 높이

Claims (10)

  1. 금속 열교환기 튜브(1)로서, 상기 금속 열교환기 튜브(1)는 리브 풋(rib foot: 3), 리브 플랭크(4) 및 리브 팁(5)을 가지며 상기 금속 열교환기 튜브 외측에 일체로 형성된 리브(2)를 갖고, 상기 리브 풋(3)은 튜브 벽(10)으로부터 방사상 방향으로 돌출하고, 채널 기부(61)를 갖는 채널(6)이 리브(2) 사이에 형성되고, 상기 채널 내에 서로 이격된 추가 구조체(7, 71, 72)가 배치되며,
    - 상기 추가 구조체는 리브(2) 사이의 채널(6)을 세그먼트(8)로 세분하고,
    - 상기 추가 구조체는 2개의 리브(2) 사이의 채널(6) 내의 관류 가능한 단면적을 국부적으로 감소시키고, 이로 인해 적어도 작동 중에 채널(6) 내의 유체 흐름을 제한하고,
    - 제1 추가 구조체(7, 71)는 채널 기부(61)로부터 방사상 방향으로 외측을 향한 돌출부(71)이고, 상기 돌출부는 상기 채널 기부(61)와 상기 리브 팁(5) 사이에 위치한 폐쇄면(713)에 의해 각각 방사상 방향으로 한정되고, 이로 인해 상기 돌출부(71)의 방사상 방향 연장부가 한정되는 금속 열교환기 튜브(1)에 있어서,
    - 방사 방향 외측에 위치하는 캐비티(72)가 제2 추가 구조체(7, 72)로서 상기 돌출부(71)의 위치에 배치되고, 상기 캐비티는 상기 돌출부(71)의 방사상 방향으로 외측에 배치된 폐쇄면(713)과 상기 리브 플랭크(4)의 재료로 형성되고,
    - 상기 캐비티(72)는 상기 폐쇄면(713)과 상기 리브 팁(5) 사이에 각각 방사상 방향으로 배치되어, 상기 채널(6)의 상기 채널 기부(61) 위의 상기 돌출부(71)의 방사상 방향 연장부 주위에 상기 리브 플랭크(4)에 측면으로 위치하는 상기 캐비티(72)가 형성되고,
    - 상기 캐비티(72)는 축방향으로 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 금속 열교환기 튜브.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 돌출부(71)와 상기 캐비티(72)는 2개의 리브(2) 사이의 상기 채널(6) 내의 관류 가능한 단면적을 국부적으로 적어도 30% 감소시키는 것을 특징으로 하는 금속 열교환기 튜브.
  3. 제1 항 또는 제2항에 있어서, 상기 돌출부(71)와 상기 캐비티(72)는 상기 2개의 리브(2) 사이의 상기 채널(6) 내의 관류 가능한 단면적을 국부적으로 40 내지 70% 감소시키는 것을 특징으로 하는 금속 열교환기 튜브.
  4. 제1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 채널(6)은 개별적인 국부적 개구(9)를 제외하고 방사상 방향으로 외측으로 폐쇄된 것을 특징으로 하는 금속 열교환기 튜브.
  5. 제1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 세그먼트(8)당 적어도 하나의 국부적 개구(9)가 제공된 것을 특징으로 하는 금속 열교환기 튜브.
  6. 제1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌출부(71)는 일체형으로 둘러싸는 2개의 리브(2) 사이의 상기 채널 기부(61)의 재료로 적어도 형성된 것을 특징으로 하는 금속 열교환기 튜브.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 돌출부(71)는 0.15 내지 1mm의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 금속 열교환기 튜브.
  8. 제1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌출부(71)는 비대칭 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 열교환기 튜브.
  9. 제1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌출부(71)는 튜브 종축(A)에 대해 수직으로 연장되는 절단면에 사다리꼴 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 금속 열교환기 튜브.
  10. 제1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌출부(71)의 위치에 2개의 대향하는 캐비티(72)가 튜브 종축(A) 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 금속 열교환기 튜브.
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