WO2022089773A1 - Metallisches wärmeaustauscherrohr - Google Patents

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WO2022089773A1
WO2022089773A1 PCT/EP2021/000121 EP2021000121W WO2022089773A1 WO 2022089773 A1 WO2022089773 A1 WO 2022089773A1 EP 2021000121 W EP2021000121 W EP 2021000121W WO 2022089773 A1 WO2022089773 A1 WO 2022089773A1
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WO
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projections
channel
heat exchanger
rib
exchanger tube
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PCT/EP2021/000121
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English (en)
French (fr)
Inventor
Achim Gotterbarm
Manfred Knab
Ronald Lutz
Original Assignee
Wieland-Werke Ag
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Publication date
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Priority to US18/245,405 priority patent/US20230341193A1/en
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    • 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
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    • F28F1/36—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 obliquely the means being helically wound fins or wire spirals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/42—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element
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    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2215/00—Fins

Definitions

  • the invention relates to a metallic heat exchanger tube according to the preamble of claim 1.
  • Tube bundle heat exchangers are often used in which liquids of pure substances or mixtures evaporate on the outside of the tube and brine or water cools down on the inside of the tube.
  • the size of the evaporator can be greatly reduced by intensifying the heat transfer on the outside and inside of the tube. This reduces the manufacturing costs of such devices.
  • the amount of refrigerant required is reduced, which can make up a non-negligible proportion of the total system costs with the chlorine-free safety refrigerants that are now predominantly used.
  • the high-performance pipes commonly used today are around four times more powerful than smooth pipes of the same diameter.
  • EP 1 223400 B1 proposes producing undercut secondary grooves on the groove base between the ribs, which extend continuously along the primary groove.
  • the cross-section of these secondary grooves can remain constant or be varied at regular intervals.
  • Such high-performance tubes can be manufactured on the basis of integrally rolled finned tubes using rolling discs.
  • integrally rolled Finned tubes are understood to mean finned tubes in which the fins were formed from the wall material of a plain tube.
  • Typical integral ribs formed on the outside of the tube are, for example, spirally circumferential and have a rib foot, rib flanks and rib tip, with the rib foot protruding essentially radially from the tube wall. The number of ribs is determined by counting consecutive bulges in the axial direction of a tube.
  • the structures according to the invention can be produced by a sharp-edged, toothed rolling disk, which deforms both the wall material on the channel base and the material on the rib flanks in the axial and radial directions.
  • the projections can extend between the respective rib foot of adjacent ribs in the axial direction over the entire channel base or only over part of the channel base. They represent a sort of barrier running between two ribs, starting from the bottom of the channel, which extends radially outwards and at least partially closes the channel in the circumferential direction.
  • the material projections can also have a smaller extent in the axial direction than that of the projections arranged underneath. Due to the size, shape and alignment of the material projections, the wetting behavior of the heat exchanger fluid is primarily the cause of an increase in fluid flow.
  • the contour line of the material projections which extend essentially in the axial and radial directions, can also be designed to be curved or irregular.
  • this type of segmentation of the channel between two ribs repeatedly interrupts it in the circumferential direction and thus at least reduces or completely prevents the bubbles that form in the channel from migrating.
  • An exchange of liquid and vapor along the channel is increasingly supported less or not at all by the respective additional structure.
  • the particular advantage of the invention is that the exchange of liquid and vapor is controlled locally in a targeted manner and the flooding of the bubble nucleation point in the segment takes place locally and in particular through the material projections from the side.
  • the evaporator tube structures can be optimized in a targeted manner depending on the application parameters through a targeted selection of the channel segmentation, whereby an increase in the heat transfer is achieved. Since the temperature at the base of the rib is higher in the area of the bottom of the groove than at the tip of the rib, structural elements are also particularly effective for intensifying the formation of bubbles in the bottom of the groove.
  • the additional structures locally reduce the cross-sectional area through which flow can take place in the channel between two ribs. All in all the evaporator tube structures can be further optimized to increase the heat transfer by increasing the separation of individual channel sections during channel segmentation, depending on the application parameters.
  • the projections and the material projections can locally reduce the flow cross-sectional area in the channel between two ribs by 40 to 70%.
  • the channel section located between two segments forms a significant threshold on the fluid side in relation to adjacent channel sections.
  • the channel can be closed radially outwards except for individual local openings.
  • the ribs can have an essentially T-shaped or T-shaped cross section, as a result of which the channel between the ribs is closed except for pores as local openings. The vapor bubbles created during the evaporation process can escape through these openings.
  • the rib tips are deformed using methods that can be found in the prior art.
  • This minimum requirement also ensures that gas bubbles that form in a channel segment during the evaporation process can escape to the outside.
  • the size and shape of the local openings are such that liquid medium can also pass through and flow into the channel section. Consequently, in order for the vaporization process to be sustained at a local opening, the same amounts of liquid and vapor must be transported through the opening in opposite directions to each other. Liquids that wet the pipe material well are usually used. Due to the capillary effect, such a liquid can enter the channels through any opening in the outer surface of the tube, even against an overpressure.
  • the quotient of the number of local openings to the number of segments can be 1:1 to 6:1. More preferably, this quotient can be 1:1 to 3:1.
  • the channels located between the ribs are essentially closed by the material of the upper rib areas, with the cavities thus created in the channel segments being connected to the surrounding space by openings.
  • These openings can also be called pores be designed, which can be designed in the same size or in two or more size classes. In the case of a ratio in which several local openings are formed on one segment, pores with two size classes can be particularly suitable. According to a regular, repeating scheme along the channels, for example, every small opening is followed by a large opening. This structure creates a directed flow in the channels.
  • Liquid is drawn preferentially through the small pores with the assistance of capillary pressure and wets the channel walls, creating thin films.
  • the vapor accumulates in the center of the channel and escapes at the points with the lowest capillary pressure.
  • the large pores must be dimensioned in such a way that the steam can escape quickly enough and the channels do not dry out.
  • the size and frequency of the vapor pores in relation to the smaller liquid pores must then be coordinated.
  • the projections as the first additional structures, can have a height of between 0.15 and 1 mm.
  • This dimensioning of the additional structures is particularly well matched to the high-performance finned tubes and expresses the fact that the structure sizes of the outer structures are preferably in the sub-millimetre to millimeter range.
  • the projections can have asymmetrical shapes.
  • the asymmetry of the structures appears in a sectional plane running perpendicular to the longitudinal axis of the pipe. Asymmetric shapes can make an additional contribution to the evaporation process, especially if a larger surface area is formed.
  • the asymmetry can be pronounced both in the case of additional structures at the base of the canal and at the tip of the rib.
  • the projections can have a trapezoidal cross section in a sectional plane running perpendicular to the longitudinal axis of the pipe.
  • trapezoidal cross-sections are structural elements that are technologically easy to control. Slight production-related asymmetries of the otherwise parallel base sides of a trapezoid can occur here.
  • FIG. 1 shows a schematic partial view of a cross section of a heat exchanger tube with segments subdivided by additional structures
  • 3 shows a schematic detailed view of material projections at the location of a projection
  • 4 shows a schematic detail view of a further embodiment of material projections at the location of a projection
  • FIG. 5 schematically shows an oblique view of a part of the outer structure of a heat exchanger tube with opposite material projections at the location of a projection.
  • Fig. 1 schematically shows a partial view of a cross section of a heat exchanger tube 1 according to the invention with segments 8 divided by additional structures 7.
  • the integrally rolled heat exchanger tube 1 has helically circumferential ribs 2 on the outside of the tube, between which a primary groove as channel 6 is formed.
  • the ribs 2 continuously extend along a helix line on the outside of the tube without interruption.
  • the rib base 3 protrudes essentially radially from the pipe wall 10 .
  • the fin height H is measured on the finished heat exchanger tube 1 from the deepest point of the channel base 61 starting from the fin base 3 across the fin flank 4 to the fin tip 5 of the fully formed finned tube.
  • a heat exchanger tube 1 is proposed, in which in the region of the channel base 61, an additional structure 7 in the form of radially outwardly directed projections 71 is arranged, which are each delimited in the radial direction by a terminal surface 713 located between the channel base 61 and the rib tip 5 .
  • These projections 71 are referred to as the first additional structure and are formed from the material of the pipe wall 10 from the bottom 61 of the duct.
  • the projections 71 are preferably arranged at regular intervals in the channel base 61 and extend transversely to the course of the channel from a rib foot 3 of a rib 2 at least partially in the direction or completely to the area above it, which is not shown in the plane of the figure lying nearest rib foot.
  • material projections 72 are arranged radially outwards as a second additional structure 7 , which are formed from material of the rib flanks 4 .
  • the material projections 72 are each arranged in the radial direction between an end surface 713 and the rib tip 5 so that the material projections 72 are formed lying laterally on the rib flank 4 around the radial extension of the projections 71 above the channel base 61 of the channel 6 .
  • the material projections 72 extend further in the axial and radial directions than in the circumferential direction. In this way, the primary groove as channel 6 is at least partially tapered at regular intervals.
  • the resulting segment 8 favors bubble nucleation in connection with the material projections 72 as guiding structures for the fluid flow in a special way.
  • the direct exchange of liquid and vapor between the individual segments 8 is at least reduced.
  • the rib tips 5 as the distal area of the ribs 2 are expediently deformed in such a way that they partially close the channel 6 in the radial direction with an axially folded rib tip 51.
  • the connection between the channel 6 and the environment is designed in the form of pores 9 as local openings so that vapor bubbles can escape from the channel 6.
  • the rib tips 5 are deformed using rolling methods which can be found in the prior art.
  • the primary grooves 6 represent undercut grooves in this way.
  • segment 8 in the form of a cavity, which is also characterized in that it has a very has high performance in evaporating liquids.
  • the liquid evaporates within segment 8, supported by material projections 72 as additional fluid conducting structures.
  • the resulting vapor escapes from the channel 6 at the local openings 9, through which liquid fluid also flows.
  • Well-wettable pipe surfaces can also be of help for the subsequent flow of the fluid.
  • the solution according to the invention relates to structured tubes in which the heat transfer coefficient on the outside of the tube is increased.
  • the heat transfer coefficient on the inside can also be intensified by suitable internal structuring 11 .
  • the heat exchanger tubes 1 for tube bundle heat exchangers usually have at least one structured area and smooth end pieces and possibly smooth intermediate pieces. The smooth end and intermediate pieces delimit the structured areas. So that the heat exchanger tube 1 can be installed in the tube bundle heat exchanger without any problems, the outer diameter of the structured areas must not be larger than the outer diameter of the smooth end and intermediate pieces.
  • FIG. 2 schematically shows an oblique view of part of the outer structure of a heat exchanger tube 1 with folded fin tips 51.
  • the rib tips 5 as the distal area of the ribs 2 are deformed in such a way that they partially close the channel 6 in the radial direction with an axially folded rib tip 51.
  • the connection between the channel 6 and the environment is designed as local openings 9 for vapor bubbles to escape from the channel 6 and for liquid fluid to flow into the channel 6 .
  • the primary grooves 6 in turn represent undercut grooves.
  • the axially folded rib tip 51 is formed from the rib 2 and thus extends in the axial direction over the channel 6 away.
  • the cross-sectional area through which flow can take place in the channel 6 between two ribs 2 is reduced locally in a particularly effective manner, in order thereby to limit the fluid flow in the channel 6 during operation.
  • Fig. 3 schematically shows a detailed view of material projections 72 at the location of a projection 71.
  • the material projections 72 placed radially on a preferably solid projection 71 of the duct base structure are produced from material of the rib flank 4 by a toothed rolling disk, which includes both wall material on the duct base 61 and material formed on the rib flank 4.
  • projections 71 and material projections 72 are thus formed from different areas of the pipe wall, material projections 72 can essentially have a transition flowing in the radial direction to the two side surfaces 711 of the ones underneath
  • Form projection 71 In this case, the projection 71 runs only in part of the channel base 61 and terminates in the axial direction of the tube with an end face 712 .
  • the material projections 72 are formed like a dividing wall and extend approximately radially and in the direction of the longitudinal axis A of the pipe and are pronounced, for example, in this axial direction up to approximately the middle of the channel.
  • the closing surface 713 of the projection 71 can also extend further in the direction of the longitudinal axis A of the pipe or even over the entire channel width between opposite ribs. Starting in this area, the fluid flow can be controlled more precisely and can contribute to the formation of bubbles in both segments 8 that are adjacent in the circumferential direction.
  • the projections 71 with the attached material projections 72 consequently also represent a threshold for the passage of fluid.
  • the axial extent of the material projections 72 is somewhat shorter than the axial extent of the projection 71 located underneath passed forth into the adjacent segments 8 to support the formation of bubbles.
  • Fig. 4 schematically shows a detailed view of a further embodiment of material projections 72 at the location of a projection 71.
  • the material projections 72 placed radially on a projection 71 of the duct base structure are made from material of the rib flank 4 by a toothed rolling disk, which uses both wall material on the duct base 61 and Material on the rib flank 4 reshaped.
  • the contour line of the material projections which extend essentially in the axial and radial direction, can also be designed to be curved or irregular.
  • the material projections 72 have a varying extent in the axial direction. In other words, viewed outwards in the radial direction, a smooth transition into the rib flank 4 is realized.
  • the surfaces of the material projections 72 are also slightly curved. These shapes are certain variations of otherwise flat surfaces, which are particularly favorable with regard to the surface properties and the wetting behavior of the liquid heat exchange fluid. Such structures lead the liquid heat exchange fluid in a particularly preferred manner from the side into the adjacent segments 8 to support the formation of bubbles.
  • FIG. 5 schematically shows an oblique view of part of the outer structure of a heat exchanger tube 1 with opposite material projections 72 at the location of a projection 71.
  • the rib tips 5 as the distal area of the ribs 2 are deformed in such a way that they partially close the channel 6 in the radial direction with an axially folded rib tip 51.
  • the connection between the channel 6 and the environment is as local openings 9 designed for the escape of vapor bubbles from the channel 6 and the inflow of liquid fluid into the channel 6.
  • the cross-sectional area through which flow can take place in the channel 6 between two ribs 2 is reduced locally in a particularly effective manner, in order thereby to limit the fluid flow in the channel 6 during operation.
  • the projections 71 extend over the entire channel width between adjacent ribs 2 in the direction of the longitudinal axis A of the pipe.
  • the projections 71 with the attached material projections 72 consequently represent a threshold for the passage of fluid.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein metallisches Wärmeaustauscherrohr (1), mit auf der Rohraußenseite ausgeformten integralen Rippen (2) mit Rippenfuß (3), Rippenflanken (4) und Rippenspitze (5), wobei der Rippenfuß (3) radial von der Rohrwandung (10) absteht und zwischen den Rippen (2) ein Kanal (6) mit einem Kanalgrund (61) ausgebildet ist, in dem voneinander beabstandete Zusatzstrukturen (7, 71, 72) angeordnet sind. Die Zusatzstrukturen (7, 71, 72) - unterteilen den Kanal (6) zwischen den Rippen (2) in Segmente (8). Die Zusatzstrukturen (7, 71, 72) reduzieren die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal (6) zwischen zwei Rippen (2) lokal und begrenzen zumindest dadurch im Betrieb einen Fluidfluss im Kanal (6). Erste Zusatzstrukturen (7, 71) sind vom Kanalgrund (61) ausgehende, radial nach außen gerichtete Auskragungen (71), die in Radialrichtung jeweils durch eine sich zwischen dem Kanalgrund (61) und der Rippenspitze (5) befindende Abschlussfläche (713) begrenzt sind, wodurch eine radiale Erstreckung der Auskragungen (71) definiert ist. Am Ort der Auskragungen (71) sind radial nach außen liegend Werkstoffvorsprünge (72) als zweite Zusatzstrukturen (7, 72) angeordnet, die aus Material der Rippenflanken (4) ausgebildet sind. Die Werkstoffvorsprünge (72) sind in Radialrichtung jeweils zwischen einer Abschlussfläche (713) und der Rippenspitze (5) angeordnet, so dass die Werkstoffvorsprünge (72) um die radiale Erstreckung der Auskragungen (71) über dem Kanalgrund (61) des Kanals (6) seitlich an der Rippenflanke (4) liegend ausgebildet sind. Die Werkstoffvorsprünge (72) erstrecken in Axial- und Radialrichtung weiter als in Umfangsrichtung.

Description

Beschreibung
Metallisches Wärmeaustauscherrohr
Die Erfindung betrifft ein metallisches Wärmeaustauscherrohr nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Verdampfung tritt in vielen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik sowie in der Prozess- und Energietechnik auf. Häufig werden Rohrbündelwärmeaustauscher verwendet, in denen Flüssigkeiten von Reinstoffen oder Mischungen auf der Rohraußenseite verdampfen und dabei auf der Rohrinnenseite eine Sole oder Wasser abkühlen.
Durch die Intensivierung des Wärmeübergangs auf der Rohraußen- und der Rohrinnenseite lässt sich die Größe der Verdampfer stark reduzieren. Hierdurch nehmen die Herstellungskosten solcher Apparate ab. Außerdem sinkt die notwendige Füllmenge an Kältemittel, die bei den mittlerweile überwiegend verwendeten chlorfreien Sicherheitskältemitteln einen nicht zu vernachlässigenden Kostenanteil an den gesamten Anlagekosten ausmachen kann. Zudem sind die heute üblichen Hochleistungsrohre bereits etwa um den Faktor vier leistungsfähiger als glatte Rohre gleichen Durchmessers.
Die leistungsstärksten, kommerziell erhältlichen Rippenrohre für überflutete Verdampfer besitzen auf der Rohraußenseite eine Rippenstruktur mit einer Rippendichte von 55 bis 60 Rippen pro Zoll (US 5,669,441 A; US 5,697,430 A; DE 197 57 526 C1). Dies entspricht einer Rippenteilung von ca. 0,45 bis 0,40 mm. Weiterhin ist bekannt, dass leistungsgesteigerte Verdampfungsstrukturen bei gleichbleibender Rippenteilung auf der Rohraußenseite erzeugt werden können, indem man zusätzliche Strukturelemente im Bereich des Nutengrundes zwischen den Rippen einbringt.
In EP 1 223400 B1 wird vorgeschlagen, am Nutengrund zwischen den Rippen hinterschnittene Sekundärnuten zu erzeugen, die sich kontinuierlich entlang der Primärnut erstrecken. Der Querschnitt dieser Sekundärnuten kann konstant bleiben oder in regelmäßigen Abständen variiert werden.
Weitere Beispiele für Strukturen am Nutengrund sind in EP 0 222 100 B1 , US 7,254,964 B2 oder US 5,186,252 A zu finden. Diesen Strukturen ist gemeinsam, dass die Strukturelemente am Nutengrund keine hinterschnittene Form aufweisen. Es handelt sich dabei entweder um in den Nutengrund eingebrachte Eindrückungen oder um Auskragungen im unteren Bereich des Kanals. Höhere Auskragungen werden im Stand der Technik explizit ausgeschlossen, da zu befürchten wäre, dass der Fluidfluss im Kanal für einen Wärmeaustausch nachteilig behindert wird.
Ein weiterer Ansatz mit höheren Strukturen ausgehend vom Nutengrund ist in EP 3 111 153 B1 , offenbart. Es handelt sich bei den Strukturen um Auskragungen im Kanal, die eine Segmentierung hervorrufen. Durch eine Segmentierung zwischen zwei Rippen wird der Kanal in umlaufender Richtung immer wieder unterbrochen und so das Wandern der entstehenden Blasen und des Wärmeaustauschfluids im Kanal zumindest reduziert oder ganz verhindert. Ein Austausch von Flüssigkeit und Dampf entlang des Kanals ist durch die jeweilige Zusatzstruktur zunehmend weniger bis gar nicht mehr unterstützt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leistungsgesteigertes Wärmeaustauscherrohr zur Verdampfung von Flüssigkeiten auf der Rohraußenseite weiterzubilden.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt ein metallisches Wärmeaustauscherrohr ein, mit auf der Rohraußenseite ausgeformten integralen Rippen mit Rippenfuß, Rippenflanken und Rippenspitze, wobei der Rippenfuß radial von der Rohrwandung absteht und zwischen den Rippen ein Kanal mit einem Kanalgrund ausgebildet ist, in dem voneinander beabstandete Zusatzstrukturen angeordnet sind. Die Zusatzstrukturen unterteilen den Kanal zwischen den Rippen in Segmente. Die Zusatzstrukturen reduzieren die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal zwischen zwei Rippen lokal und begrenzen zumindest dadurch im Betrieb einen Fluidfluss im Kanal. Erste Zusatzstrukturen sind vom Kanalgrund ausgehende, radial nach außen gerichtete Auskragungen, die in Radialrichtung jeweils durch eine sich zwischen dem Kanalgrund und der Rippenspitze befindende Abschlussfläche begrenzt sind, wodurch eine radiale Erstreckung der Auskragungen definiert ist. Am Ort der Auskragungen sind radial nach außen liegend Werkstoffvorsprünge als zweite Zusatzstrukturen angeordnet, die aus Material der Rippenflanken ausgebildet sind. Die Werkstoffvorsprünge sind in Radialrichtung jeweils zwischen einer Abschlussfläche und der Rippenspitze angeordnet, so dass die Werkstoffvorsprünge um die radiale Erstreckung der Auskragungen über dem Kanalgrund des Kanals seitlich an der Rippenflanke liegend ausgebildet sind. Die Werkstoffvorsprünge erstrecken sich in Axial- und Radialrichtung weiter als in Umfangsrichtung.
Diese metallischen Wärmeaustauscherrohre dienen insbesondere zur Verdampfung von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohraußenseite.
Derartig leistungsfähige Rohre können auf der Basis von integral gewalzten Rippenrohren mittels Walzscheiben hergestellt werden. Unter integral gewalzten Rippenrohren werden berippte Rohre verstanden, bei denen die Rippen aus dem Wandmaterial eines Glattrohres geformt wurden. Typische auf der Rohraußenseite ausgeformte integrale Rippen sind beispielsweise spiralig umlaufend und weisen einen Rippenfuß, Rippenflanken und Rippenspitze auf, wobei der Rippenfuß im Wesentlichen radial von der Rohrwandung absteht. Die Anzahl der Rippen wird durch Zählung aufeinanderfolgender Ausbuchtungen in axialer Richtung eines Rohres festgelegt. Die erfindungsgemäßen Strukturen können durch eine scharfkantige gezahnte Walzscheibe hergestellt werden, welche sowohl Wandmaterial am Kanalgrund als auch Material an der Rippenflanke in Axial- und Radialrichtung umformt.
Es sind hierbei verschiedene Verfahren bekannt, mit denen die zwischen benachbarten Rippen befindlichen Kanäle derart verschlossen werden, dass Verbindungen zwischen Kanal und Umgebung in Form von Poren oder Schlitzen bleiben. Insbesondere werden solche im Wesentlichen geschlossene Kanäle durch Umbiegen oder Umlegen der Rippen, durch Spalten und Stauchen der Rippen oder durch Kerben und Stauchen der Rippen erzeugt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur Erhöhung des Wärmeüberganges bei der Verdampfung der Rippenzwischenraum durch Zusatzstrukturen segmentiert wird. Hierdurch werden lokale Überhitzungen in den Zwischenräumen erzeugt und der Vorgang des Blasensiedens intensiviert. Die Bildung von Blasen findet dann in erster Linie innerhalb der Segmente statt und beginnt an Keimstellen. An diesen Keimstellen bilden sich zunächst kleine Gasoder Dampfblasen. Wenn die anwachsende Blase eine bestimmte Größe erreicht hat, löst sie sich von der Oberfläche ab. Im Zuge der Blasenablösung wird der verbleibende Hohlraum im Segment wieder mit Flüssigkeit geflutet und der Zyklus beginnt erneut. Die Oberfläche kann dabei derart gestaltet werden, dass beim Ablösen der Blase eine kleine Blase zurück bleibt, die dann als Keimstelle für einen neuen Zyklus der Blasenbildung dient. Zusätzlich zur Bildung von Blasen innerhalb der Segmente befinden sich gemäß der erfinderischen Lösung im Bereich der ersten Zusatzstrukturen in Form von radial nach außen gerichteten Auskragungen weitere Werkstoffvorsprünge als zweite Zusatzstrukturen. Die Werkstoffvorsprünge sind seitlich an der Rippenflanke angeordnet und erstrecken sich im Wesentlichen in Axial- und Radialrichtung. Aus dem Herstellungsprozess mittels Walzen werden die Werkstoffvorsprünge aus Material der Rippenflanken ausgebildet, die radial nach außen liegend auf den Auskragungen bevorzugt direkt aufsetzen. In den durch die Werkstoffvorsprünge gebildete Strukturen wird der Fluidfluss von flüssigem Wärmeaustauscherfluid in die benachbarten Segmente, quasi von der Seite her, begünstigt. Eine derartige Fluidführung liefert somit einen Beitrag zur Blasenbildung im Segment. Die Auskragungen können sich zwischen dem jeweiligen Rippenfuß benachbarter Rippen in axialer Richtung über den gesamten Kanalgrund oder nur über einen Teil des Kanalgrunds erstrecken. Sie stellen quasi eine zwischen zwei Rippen verlaufende Barriere ausgehend vom Kanalgrund dar, die sich radial nach außen erstreckt und den Kanal in Umfangsrichtung zumindest teilweise verschließt.
Mit anderen Worten, auf einer bevorzugt massiven Auskragung der Kanalgrundstruktur aufgesetzte erfindungsgemäße Werkstoffvorsprünge sind als zweite Zusatzstrukturen aus Material der Rippenflanke geformt und bilden im Wesentlichen in radialer Richtung jeweils einen fließenden Übergang zu den beiden Seitenflächen der darunter liegenden Auskragung. Diese stellen folglich eine Fluidleitstruktur dar, welche flüssiges Fluid quasi von der Seite her in die Segmente führt. Eine radial außen angeordnete Abschlussfläche der Auskragungen kann sich über die gesamte Kanalbreite erstrecken. Am Ort dieser auf einer Auskragung angeordneten Werkstoffvorsprünge kann flüssiges Fluid zwischen benachbarten Segmenten ausgetauscht werden und dabei auch aus einem Segment in ein benachbartes Segment gelangen. Die Auskragungen mit den aufgesetzten Werkstoffvorsprüngen stellen folglich eine Schwelle für den Fluiddurchtritt dar.
Hierbei können auch die Werkstoffvorsprünge in axialer Richtung eine geringere Ausdehnung als diejenige der darunter angeordnete Auskragungen aufweisen. Aufgrund der Größe, Form und Ausrichtung der Werkstoffvorsprünge ist in erster Linie das Benetzungsverhalten des Wärmeaustauscherfluids die Ursache für eine Fluidflusserhöhung. Dabei kann die Konturlinie der sich im Wesentlichen in Axial- und Radialrichtung erstreckenden Werkstoffvorsprünge auch geschwungen oder unregelmäßig ausgeführt sein.
Bei der vorliegenden Erfindung wird durch diese Art der Segmentierung des Kanals zwischen zwei Rippen dieser in umlaufender Richtung immer wieder unterbrochen und so das Wandern der entstehenden Blasen im Kanal zumindest reduziert oder ganz verhindert. Ein Austausch von Flüssigkeit und Dampf entlang des Kanals ist durch die jeweilige Zusatzstruktur zunehmend weniger bis gar nicht mehr unterstützt.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Austausch von Flüssigkeit und Dampf lokal gezielt gesteuert und die Flutung der Blasenkeimstelle im Segment lokal und insbesondere durch die Werkstoffvorsprünge von der Seite her erfolgt. Insgesamt können durch eine gezielte Wahl der Kanalsegmentierung die Verdampferrohrstrukturen in Abhängigkeit der Einsatzparameter zielführend optimiert werden, wodurch eine Steigerung des Wärmeübergangs erzielt wird. Da im Bereich des Nutengrundes die Temperatur des Rippenfußes höher ist als an der Rippenspitze, sind zudem Strukturelemente zur Intensivierung der Blasenbildung im Nutengrund besonders wirkungsvoll.
Zudem ist es auch von Vorteil, dass die Zusatzstrukturen die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal zwischen zwei Rippen lokal reduzieren. Insgesamt können durch eine zunehmende Abtrennung einzelner Kanalabschnitte bei der Kanalsegmentierung die Verdampferrohrstrukturen in Abhängigkeit der Einsatzparameter weiter zur Steigerung des Wärmeübergangs weiter optimiert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Auskragungen und die Werkstoffvorsprünge die durchströmbare Querschnittsfläche im
Kanal zwischen zwei Rippen lokal um mindestens 30% reduzieren. Auf diese Weise werden die Segmente lokal für einen Fluiddurchtritt ausreichend abgegrenzt. Der zwischen zwei Segmenten liegende Kanalabschnitt ist somit gegenüber benachbart liegenden Kanalabschnitten fluidseitig ausreichend bis weitestgehend getrennt.
Vorteilhafterweise können die Auskragungen und die Werkstoffvorsprünge die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal zwischen zwei Rippen lokal um 40 bis 70% reduzieren. Der zwischen zwei Segmenten liegende Kanalabschnitt bildet gegenüber benachbart liegenden Kanalabschnitten fluidseitig eine maßgebliche Schwelle.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Kanal radial nach außen bis auf einzelne lokale Öffnungen abgeschlossen sein. Dabei können die Rippen einen im Wesentlichen T-förmigen oder T-förmigen Querschnitt aufweisen, wodurch der Kanal zwischen den Rippen bis auf Poren als lokale Öffnungen verschlossen wird. Durch diese Öffnungen können die im Verdampfungsprozess entstehenden Dampfblasen entweichen. Das Verformen der Rippenspitzen geschieht mit Methoden, die dem Stand der Technik zu entnehmen sind.
In diesem Zusammenhang können auch die Rippenspitzen in axialer Richtung umgelegt sein oder sogar zu einem gewissen Maße in Richtung Kanalgrund hin ausgeformt sein. Der Kanal kann folglich auch aus einer Kombination mehrerer sich ergänzender Strukturelemente von unten und der Seite und/oder von oben um das gewünschte Maß verjüngt bis ganz geschlossen werden. Jedenfalls so, dass der Kanal zwischen den Rippen in diskrete Segmente unterteilt wird.
Durch die Kombination der erfindungsgemäßen Segmente mit einem bis auf Poren oder Schlitze verschlossen Kanal erhält man eine Struktur, die über einen sehr weiten Bereich von Betriebsbedingungen eine sehr hohe Leistungsfähigkeit bei Verdampfung von Flüssigkeiten aufweist. Insbesondere erreicht bei Variation der Wärmestromdichte oder der treibenden Temperaturdifferenz der Wärmeübergangskoeffizient der Struktur ein gleichbleibend hohes Niveau.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann zumindest eine lokale Öffnung pro Segment vorhanden sein. Diese Mindestanforderung gewährleistet noch, dass beim Verdampfungsprozess in einem Kanalsegment entstehende Gasblasen nach außen entweichen können. Die lokalen Öffnungen sind in Größe und Gestalt so ausgeführt, dass auch flüssiges Medium hindurchtreten und in den Kanalabschnitt nachströmen kann. Damit der Verdampfungsvorgang bei einer lokalen Öffnung aufrechterhalten werden kann, müssen die gleichen Mengen Flüssigkeit und Dampf folglich in zueinander entgegengesetzten Richtungen durch die Öffnung transportiert werden. Üblicherweise werden Flüssigkeiten verwendet, die den Rohrwerkstoff gut benetzen. Eine derartige Flüssigkeit kann aufgrund des Kapillareffekts durch jede Öffnung in der äußeren Rohroberfläche auch gegen einen Überdruck in die Kanäle eindringen.
Zudem kann der Quotient der Anzahl der lokalen Öffnungen zur Anzahl der Segmente 1 :1 bis 6:1 betragen. Weiter bevorzugt kann dieser Quotient 1 :1 bis 3:1 betragen. Die zwischen den Rippen befindlichen Kanäle sind durch Material der oberen Rippenbereiche im Wesentlichen verschlossen, wobei die so entstehenden Hohlräume der Kanalsegmente durch Öffnungen mit dem umgebenden Raum verbunden sind. Diese Öffnungen können auch als Poren ausgestaltet sein, welche in gleicher Größe oder auch in zwei oder mehr Größenklassen ausgeführt sein können. Bei einem Verhältnis, bei dem mehrere lokale Öffnungen auf ein Segment ausgebildet sind, können sich besonders Poren mit zwei Größenklassen eignen. Nach einem regelmäßigen, sich wiederholenden Schema folgt entlang der Kanäle beispielsweise auf jede kleine eine große Öffnung. Durch diese Struktur wird eine gerichtete Strömung in den Kanälen erzeugt. Flüssigkeit wird bevorzugt durch die kleinen Poren mit Unterstützung des Kapillardrucks eingezogen und benetzt die Kanalwände, wodurch dünne Filme erzeugt werden. Der Dampf sammelt sich im Zentrum des Kanals an und entweicht an den Stellen mit dem geringsten Kapillardruck. Gleichzeitig müssen die großen Poren so dimensioniert werden, dass der Dampf ausreichend schnell entweichen kann und die Kanäle dabei nicht austrocknen. Die Größe und Häufigkeit der Dampfporen im Verhältnis zu den kleineren Flüssigkeitsporen sind dann aufeinander abzustimmen.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung können die Auskragungen als erste Zusatzstrukturen zumindest aus Material des Kanalgrunds zwischen zwei integral umlaufenden Rippen ausgeformt sein. Hierdurch verbleibt eine stoffschlüssige Verbindung für einen guten Wärmeaustausch von der Rohrwandung in die jeweiligen Strukturelemente erhalten. Zudem kann eine Auskragung auch zusätzlich aus Material der Rippenflanke bestehen. Die Segmentierung des Kanals aus einem einheitlichen Material des Kanalgrunds ist für den Verdampfungsprozess besonders günstig.
In besonders bevorzugter Ausführungsform können die Auskragungen als erste Zusatzstrukturen eine Höhe zwischen 0,15 und 1 mm aufweisen. Diese Bemaßung der Zusatzstrukturen ist auf die Hochleistungsrippenrohre besonders gut abgestimmt und bringen zum Ausdruck, dass die Strukturgrößen der Außenstrukturen bevorzugt im Submillimeter- bis Millimeterbereich liegen. Vorteilhafterweise können die Auskragungen asymmetrische Formen aufweisen. Die Asymmetrie der Strukturen erscheint hierbei in einer senkrecht zur Rohrlängsachse verlaufenden Schnittebene. Asymmetrische Formen können, insbesondere wenn eine größere Oberfläche ausgebildet wird, einen zusätzlichen Beitrag zum Verdampfungsprozess leisten. Die Asymmetrie kann sowohl bei Zusatzstrukturen am Kanalgrund wie auch an der Rippenspitze ausgeprägt sein.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung können die Auskragungen in einer senkrecht zur Rohrlängsachse verlaufenden Schnittebene einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Trapezförmige Querschnitte sind im Zusammenhang mit integral gewalzten Rippenrohrstrukturen technologisch gut beherrschbare Strukturelemente. Geringfügige fertigungsbedingte Asymmetrien der sonst parallelen Grundseiten eines Trapezes können hierbei auftreten.
Vorteilhafterweise können am Ort der Auskragungen in Richtung der Rohrlängsachse sich gegenüberstehende Werkstoffvorsprünge ausgebildet sein. Die Auskragungen mit den gegenüberstehenden Werkstoffvorsprünge stellen folglich die Schwelle für den Fluiddurchtritt dar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Teilansicht eines Querschnitts eines Wärmeaustauscherrohres mit durch Zusatzstrukturen unterteilten Segmenten,
Fig. 2 schematisch eine Schrägansicht auf einen Teil der Außenstruktur eines Wärmeaustauscherrohres mit umgelegten Rippenspitzen,
Fig. 3 schematisch eine Detailansicht von Werkstoffvorsprüngen am Ort einer Auskragung, Fig. 4 schematisch eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform von Werkstoffvorsprüngen am Ort einer Auskragung, und
Fig. 5 schematisch eine Schrägansicht auf einen Teil der Außenstruktur eines Wärmeaustauscherrohres mit sich gegenüberstehenden Werkstoffvorsprüngen am Ort einer Auskragung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Teilansicht eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres 1 mit durch Zusatzstrukturen 7 unterteilten Segmenten 8. Das integral gewalzte Wärmeaustauscherrohr 1 weist auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufende Rippen 2 auf, zwischen denen eine Primärnut als Kanal 6 ausgebildet ist. Die Rippen 2 erstrecken sich ohne Unterbrechung kontinuierlich entlang einer Helixlinie auf der Rohraußenseite. Der Rippenfuß 3 steht im Wesentlichen radial von der Rohrwandung 10 ab. Die Rippenhöhe H wird am fertigen Wärmeaustauscherrohr 1 von der tiefsten Stelle des Kanalgrundes 61 ausgehend vom Rippenfuß 3 über die Rippenflanke 4 hinweg bis zur Rippenspitze 5 des vollständig geformten Rippenrohres gemessen.
Es wird ein Wärmeaustauscherrohr 1 vorgeschlagen, bei dem im Bereich des Kanalgrundes 61 , eine Zusatzstruktur 7 in Gestalt von radial nach außen gerichtete Auskragungen 71 angeordnet ist, die in Radialrichtung jeweils durch eine sich zwischen dem Kanalgrund 61 und der Rippenspitze 5 befindende Abschlussfläche 713 begrenzt sind. Diese Auskragungen 71 sind als erste Zusatzstruktur bezeichnet und aus Material der Rohrwandung 10 aus dem Kanalgrund 61 geformt. Die Auskragungen 71 sind in bevorzugt regelmäßigen Abständen im Kanalgrund 61 angeordnet und erstrecken sich quer zum Kanalverlauf von einem Rippenfuß 3 einer Rippe 2 zumindest teilweise in Richtung oder vollständig zum in der Figurenebene nicht dargestellten darüber liegenden nächsten Rippenfuß. Am Ort einer Auskragungen 71 sind radial nach außen liegend Werkstoffvorsprünge 72 als zweite Zusatzstruktur 7 angeordnet, die aus Material der Rippenflanken 4 ausgebildet sind. Die Werkstoffvorsprünge 72 sind in Radialrichtung jeweils zwischen einer Abschlussfläche 713 und der Rippenspitze 5 angeordnet, so dass die Werkstoffvorsprünge 72 um die radiale Erstreckung der Auskragungen 71 über dem Kanalgrund 61 des Kanals 6 seitlich an der Rippenflanke 4 liegend ausgebildet sind. Die Werkstoffvorsprünge 72 erstrecken in Axial- und Radialrichtung weiter als in Umfangsrichtung. Auf diese Weise wird die Primärnut als Kanal 6 in regelmäßigen Abständen zumindest teilweise verjüngt. Das dadurch entstehende Segment 8 begünstigt eine Blasenkeimbildung in Verbindung mit den Werkstoffvorsprüngen 72 als Leitstrukturen für den Fluidfluss in besonderer Weise. Der direkte Austausch von Flüssigkeit und Dampf zwischen den einzelnen Segmenten 8 wird zumindest verringert.
Zusätzlich zur Bildung der Auskragungen 71 am Kanalgrund 61 mit den radial außen liegenden Werkstoffvorsprüngen 72 sind zweckmäßigerweise die Rippenspitzen 5 als distaler Bereich der Rippen 2 derart verformt, dass sie den Kanal 6 in Radialrichtung teilweise mit einer axial umgelegten Rippenspitze 51 verschließen. Die Verbindung zwischen dem Kanal 6 und der Umgebung ist in Form von Poren 9 als lokale Öffnungen ausgestaltet, damit Dampfblasen aus dem Kanal 6 entweichen können. Das Verformen der Rippenspitzen 5 geschieht mit walztechnischen Methoden, die dem Stand der Technik zu entnehmen sind. Die Primärnuten 6 stellen auf diese Weise hinterschnittene Nuten dar. Durch die Kombination der Auskragungen 71 und Werkstoffvorsprünge 72 als Zusatzstrukturen 7 erhält man ein Segment 8 in Form eines Hohlraumes, der sich ferner dadurch auszeichnet, dass er über einen sehr weiten Bereich von Betriebsbedingungen eine sehr hohe Leistungsfähigkeit bei Verdampfung von Flüssigkeiten aufweist. Die Flüssigkeit verdampft innerhalb des Segments 8 unterstützt von Werkstoffvorsprüngen 72 als zusätzliche Fluidleitstrukturen. Der entstehende Dampf tritt an den lokalen Öffnungen 9 aus dem Kanal 6 aus, durch die auch flüssiges Fluid nachströmt. Zum Nachströmen des Fluid können auch gut benetzbare Rohroberflächen eine Hilfe sein.
Die erfindungsgemäße Lösung bezieht sich auf strukturierte Rohre, bei denen der Wärmeübergangskoeffizient auf der Rohraußenseite gesteigert wird. Um nicht den Hauptanteil des Wärmedurchgangswiderstandes auf die Innenseite zu verlagern, kann der Wärmeübergangskoeffizient auf der Innenseite durch eine geeignete Innenstrukturierung 11 zudem intensiviert werden. Die Wärmeaustauscherrohre 1 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 Wärmeaustauscherrohr 1 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.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Schrägansicht auf einen Teil der Außenstruktur eines Wärmeaustauscherrohres 1 mit umgelegten Rippenspitzen 51. Zur besseren Veranschaulichung sind nur die zum Verständnis wichtigsten Strukturelemente der Außenstruktur dargestellt. Zusätzlich zur Bildung der Auskragungen 71 am Kanalgrund 61 mit den radial außen liegenden Werkstoffvorsprüngen 72 sind wiederum die Rippenspitzen 5 als distaler Bereich der Rippen 2 derart verformt, dass sie den Kanal 6 in Radialrichtung teilweise mit einer axial umgelegten Rippenspitze 51 verschließen. Die Verbindung zwischen dem Kanal 6 und der Umgebung ist als lokale Öffnungen 9 zum Entweichen von Dampfblasen aus dem Kanal 6 sowie Einströmen von flüssigem Fluid in den Kanal 6 ausgestaltet. Die Primärnuten 6 stellen auf diese Weise wiederum hinterschnittene Nuten dar. Die axial umgelegte Rippenspitze 51 ist aus der Rippe 2 ausgeformt und erstreckt sich so in axialer Richtung über den Kanal 6 hinweg. Mit den Zusatzstrukturen 7 reduziert sich die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal 6 zwischen zwei Rippen 2 lokal besonders effektiv, um dadurch im Betrieb den Fluidfluss im Kanal 6 zu begrenzen.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Detailansicht von Werkstoffvorsprüngen 72 am Ort einer Auskragung 71. Die radial auf eine bevorzugt massive Auskragung 71 der Kanalgrundstruktur aufgesetzten Werkstoffvorsprünge 72 sind aus Material der Rippenflanke 4 durch eine gezahnte Walzscheibe hergestellt, welche sowohl Wandmaterial am Kanalgrund 61 als auch Material an der Rippenflanke 4 umformt. Obwohl Auskragungen 71 und Werkstoffvorsprünge 72 damit aus unterschiedlichen Bereichen der Rohrwandung geformt sind, können die Werkstoffvorsprünge 72 im Wesentlichen einen in radialer Richtung fließenden Übergang zu den beiden Seitenflächen 711 der darunter liegenden
Auskragung 71 ausbilden. In diesem Fall verläuft die Auskragung 71 nur in einem Teil des Kanalgrundes 61 und schließt in axialer Rohrrichtung mit einer Stirnfläche 712 ab. Die Werkstoffvorsprünge 72 sind trennwandartig ausgebildet und erstrecken sich angenähert radial und in Richtung der Rohrlängsachse A und beispielsweise in dieser axialen Richtung bis ungefähr zur Kanalmitte ausgeprägt sind. Hierbei kann sich die Abschlussfläche 713 der Auskragung 71 in Richtung der Rohrlängsachse A auch weiter oder sogar über die gesamte Kanalbreite zwischen gegenüberliegenden Rippen erstrecken. In diesem Bereich ausgehend kann der Fluidfluss präziser gesteuert und in beiden in umlaufender Richtung benachbarten Segmenten 8 zu einer Blasenbildung beitragen. Die Auskragungen 71 mit den aufgesetzten Werkstoffvorsprüngen 72 stellen folglich auch eine Schwelle für den Fluiddurchtritt dar.
Wie ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich, ist die axiale Erstreckung der Werkstoffvorsprünge 72 etwas kürzer als die axiale Erstreckung der darunter befindlichen Auskragung 71. Hierdurch ergibt sich eine zur Rohrlängsachse A Öffnung für das flüssige Wärmeaustauscherfluid, welches leichter von der Seite her in die benachbarten Segmente 8 zur Unterstützung der Blasenbildung geleitet wird.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Detailansicht einer weiteren Ausführungsform von Werkstoffvorsprüngen 72 am Ort einer Auskragung 71. Die radial auf eine Auskragung 71 der Kanalgrundstruktur aufgesetzten Werkstoffvorsprünge 72 sind aus Material der Rippenflanke 4 durch eine gezahnte Walzscheibe hergestellt, welche sowohl Wandmaterial am Kanalgrund 61 als auch Material an der Rippenflanke 4 umformt. Dabei ist die Konturlinie der sich im Wesentlichen in Axial- und Radialrichtung erstreckenden Werkstoffvorsprünge auch geschwungen oder unregelmäßig ausgeführt sein. Bei dieser Ausführungsform haben die Werkstoffvorsprünge 72 eine sich verändernde Ausdehnung in axialer Richtung. Mit anderen Worten, in radialer Richtung nach außen betrachtet ist ein fließender Übergang in die Rippenflanke 4 realisiert. Insgesamt sind die Flächen der Werkstoffvorsprünge 72 auch etwas in sich gekrümmt. Diese Formen sind gewisse Variationen sonst ebener Flächen, die bezüglich der Oberflächeneigenschaften und des Benetzungsverhaltens des flüssigen Wärmeaustauscherfluids besonders günstig sind. Derartige Strukturen führen das flüssige Wärmeaustauscherfluid in besonders bevorzugter Weise von der Seite her in die benachbarten Segmente 8 zur Unterstützung der Blasenbildung.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Schrägansicht auf einen Teil der Außenstruktur eines Wärmeaustauscherrohres 1 mit sich gegenüberstehenden Werkstoffvorsprüngen 72 am Ort einer Auskragung 71. Zur besseren Veranschaulichung sind nur die zum Verständnis wichtigsten Strukturelemente der Außenstruktur dargestellt. Zusätzlich zur Bildung der Auskragungen 71 am Kanalgrund 61 mit den radial außen liegenden Werkstoffvorsprüngen 72 sind wiederum die Rippenspitzen 5 als distaler Bereich der Rippen 2 derart verformt, dass sie den Kanal 6 in Radialrichtung teilweise mit einer axial umgelegten Rippenspitze 51 verschließen. Die Verbindung zwischen dem Kanal 6 und der Umgebung ist als lokale Öffnungen 9 zum Entweichen von Dampfblasen aus dem Kanal 6 sowie Einströmen von flüssigem Fluid in den Kanal 6 ausgestaltet. Mit den Auskragungen 71 und den Werkstoffvorsprüngen 72 als Zusatzstrukturen 7 reduziert sich die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal 6 zwischen zwei Rippen 2 lokal besonders effektiv, um dadurch im Betrieb den Fluidfluss im Kanal 6 zu begrenzen.
Die Auskragungen 71 erstrecken sich in diesem Falle über die gesamte Kanalbreite zwischen benachbarten Rippen 2 in Richtung der Rohrlängsachse A. Radial nach außen liegend sind am Ort der Auskragungen 71 sich gegenüberstehende Werkstoffvorsprünge 72 ausgebildet. Die Auskragungen 71 mit den aufgesetzten Werkstoffvorsprüngen 72 stellen folglich eine Schwelle für den Fluiddurchtritt dar.
Bezugszeichenliste
1 Wärmeaustauscherrohr
2 Rippen
3 Rippenfuß
4 Rippenflanke
5 Rippenspitze, distale Bereiche der Rippen
51 axial umgelegte Rippenspitze
6 Kanal, Primärnut
61 Kanalgrund
7 Zusatzstrukturen
71 Auskragung als erste Zusatzstruktur am Kanalgrund
711 Seitenflächen der Auskragung
712 Stirnfläche der Auskragung
713 Abschlussfläche der Auskragung
72 Werkstoffvorsprünge
8 Segment
9 lokale Öffnung, Poren
10 Rohrwandung
11 Innenstruktur
A Rohrlängsachse
H Rippenhöhe

Claims

Patentansprüche Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1 ), mit auf der Rohraußenseite ausgeformten integralen Rippen (2) mit Rippenfuß (3), Rippenflanken (4) und Rippenspitze (5), wobei der Rippenfuß (3) radial von der Rohrwandung (10) absteht und zwischen den Rippen (2) ein Kanal (6) mit einem Kanalgrund (61) ausgebildet ist, in dem voneinander beabstandete Zusatzstrukturen (7, 71 , 72) angeordnet sind,
- welche den Kanal (6) zwischen den Rippen (2) in Segmente (8) unterteilen,
- welche die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal (6) zwischen zwei Rippen (2) lokal reduzieren und dadurch im Betrieb einen Fluidfluss im Kanal (6) zumindest begrenzen, und
- wobei erste Zusatzstrukturen (7, 71) vom Kanalgrund (61) ausgehende, radial nach außen gerichtete Auskragungen (71) sind, die in Radialrichtung jeweils durch eine sich zwischen dem Kanalgrund (61) und der Rippenspitze (5) befindende Abschlussfläche (713) begrenzt sind, wodurch eine radiale Erstreckung der Auskragungen (71) definiert ist, dadurch gekennzeichnet,
- dass am Ort der Auskragungen (71) radial nach außen liegend Werkstoffvorsprünge (72) als zweite Zusatzstrukturen (7, 72) angeordnet sind, die aus Material der Rippenflanken (4) ausgebildet sind,
- dass die Werkstoffvorsprünge (72) in Radialrichtung jeweils zwischen einer Abschlussfläche (713) und der Rippenspitze (5) angeordnet sind, so dass die Werkstoffvorsprünge (72) um die radiale Erstreckung der Auskragungen (71) über dem Kanalgrund (61) des Kanals (6) seitlich an der Rippenflanke (4) liegend ausgebildet sind, und
- dass sich die Werkstoffvorsprünge (72) in Axial- und Radialrichtung weiter erstrecken als in Umfangsrichtung. . Wärmeaustauscherrohr (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) und die Werkstoffvorsprünge (72) die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal (6) zwischen zwei Rippen (2) lokal um mindestens 30% reduzieren.
3. Wärmeaustauscherrohr (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) und die Werkstoffvorsprünge (72) die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal (6) zwischen zwei Rippen (2) lokal um 40 bis 70% reduzieren. . Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (6) radial nach außen bis auf einzelne lokale Öffnungen (9) abgeschlossen ist.
5. Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine lokale Öffnung (9) pro Segment (8) vorhanden ist.
6. Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) zumindest aus Material des Kanalgrunds (61) zwischen zwei integral umlaufenden Rippen (2) ausgeformt sind.
7. Wärmeaustauscherrohr (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) eine Höhe zwischen 0,15 und 1 mm aufweisen.
8. Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) asymmetrische Formen aufweisen. Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) in einer senkrecht zur Rohrlängsachse (A) verlaufenden Schnittebene einen trapezförmigen
Querschnitt aufweisen. Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Ort der Auskragungen (71) in Richtung der Rohrlängsachse (A) sich gegenüberstehende Werkstoffvorsprünge (72) ausgebildet sind.
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