DE10210016B9

DE10210016B9 - Wärmeaustauschrohr mit berippter Innenoberfläche

Info

Publication number: DE10210016B9
Application number: DE10210016A
Authority: DE
Inventors: Christoph Dr.-Ing. Walther
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2002-03-07
Filing date: 2002-03-07
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2022-03-08
Also published as: EP1342971A2; US20030168209A1; DE10210016B4; DE10210016A1; CN1444003A; JP2003262486A; EP1342971A3

Abstract

Wärmeaustauschrohr (4), dessen Innenoberfläche in Umfangsrichtung in mindestens zwei parallel zur Rohrlängsachse verlaufende Zonen (Z₁, Z₂, ..., Z_n) unterteilt ist,
wobei die Zonen sich in mindestens zwei Zonenklassen (K₁, K₂, ..., K_j, K_j+ ₁, ..., K_m) unterscheiden lassen und
sich Zonen unterschiedlicher Zonenklasse in Umfangsrichtung in beliebiger Abfolge abwechseln,
wobei in Zonen mindestens einer Zonenklasse (K₁, K₂,..., K_j) Rippen (1) mit einer Rippenhöhe h₁ und unter einem Steigungswinkel α₁ zur Rohrlängsrichtung verlaufen, dergestalt dass bei Vorliegen von mehreren dieser Zonenklassen (K₁, K₂, ..., K_j) sich diese in mindestens einem der Merkmale Rippenhöhe und Steigungswinkel unterscheiden,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Zonen mindestens einer weiteren Zonenklasse (K_j+ ₁, K_j+2, ..., K_m) 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...

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. 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

– 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.
– 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 ferfehlenden 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 eine 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.
– 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.
– 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.
– 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.
– 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.
– 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.
– Aus der DE 100 41 919 C1 ist ein innenberipptes Wärmetauscherrohr mit versetzt angeordneten Rippen unterschiedlicher Höhe bekannt. Die berippte Innenoberfläche ist in mindestens zwei Zonen aufgeteilt. Benachbarte Zonen grenzen so aneinander, dass die Rippenabfolge in Rohrlängsrichtung um mindestens eine Rippe versetzt ist.

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 oder verbesserten Wärmeübergangsleistung bei sowohl Kondensation als auch Verdampfung, einem geringen Druckabfall, einem möglichst niedrigere 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 in Zonen mindestens einer weiteren Zonenklasse (K_j+1, K_j+2,..., K_m) 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 (K_j+ ₁, K_j+2, ..., K_m) gleich oder vorzugsweise kleiner als die Rippenhöhen h₁ der Rippen in den in Umfangsrichtung nächstliegenden Zonen der Zonenklassen (K₁, K₂, ..., K_j) sind.
Damit ergeben sich die folgenden Vorteile der Erfindung:
– 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 (K_j+1, K_j+2, ..., K_m) mit gitterartigem Muster, berechnet als der Betrag des kleineren der beiden Komplementärwinkel |(α₂ –α₃)| bzw. |80°–(α₂ –α₃)| , beträgt vorzugsweise 30° bis 90° (Anspruch 2).
– Für den Kondensationsbetrieb andererseits wird die Spiralstruktur mit Vorzugsrichtung genügend oft unterbrochen und eine Drallströmung gestört durch Zonen der Zonenklassen (K_j+ ₁, K₁₊₂, ..., K_m) 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 (K_j+ ₁, K_j+2, ..., K_m) 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).
– 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 (K_j+ ₁, K_j+2, ..., K_m) ergibt. Die Rippen sind im Vergleich zu den Rippen der Höhe h, 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.
– 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 gitterarigen 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,..., K_j) bzw. in den Vertiefungen zwischen den Rippen in den Zonen gitterartigen Musters der Zonenklassen (K_j+ ₁, K_j+2, ..., K_m) 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 (K_j+ ₁, K_j+2, ..., K_m} bzgl. der Bandlängung beim Walzen vergleichbare Werte wie in den Zonen der Zonenklassen (K₁, K₂, ..., K_j) vorliegen. Unnötige Spannungen sowie eine eventuell auftretende Welligkeit des Bandes können so vermieden werden.
– 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,..., K_j) (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 kömmen, 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:
1 einen Lamellenblock-Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik, 2 perspektivisch einen Abschnitt eines innenberippten Wärmeaustauschrohres, bei dem ein Schweißnahtabschnitt in Rohrlängsrichtung verläuft,
3 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche,
4 schematisch die Definition des Steigungswinkels α,
5 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu 3, bei dem in den Zonen gerader Nummer die sich kreuzenden Rippen ein gitterartiges Muster bilden,
6 schematisch eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu 3,
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
8 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu 7, bei dem die Breite der Zonen verschieden ist, und
9 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu 5, bei der die Rippen in den Zonen ungerader Nummer (Z₁, Z₃,...) eine Kerbung aufweisen, und
10 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt A-A aus 8,
11 schematisch den Aufbau einer Strukturwalze zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre.
1 zeigt einen Lamellenblock-Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik mit horizontal angeordneten Wärmeaustauschrohren (4) und nicht näher bezifferten Lamellen.
In 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.
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 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 (1b), die in Rohrlängsrichtung nach links von dieser 0°-Linie weglaufen, mit negativem Winkel (α<0) beschrieben werden.
5 zeigt schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu 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.
6 zeigt schematisch eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu 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.
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.
8 zeigt schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu 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.
9 zeigt schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu 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 10 beträgt mindestens 20% der Rippenhöhe h₁ der Rippen (1 ).
In 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 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 (α₂=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

Wärmeaustauschrohr (4), dessen Innenoberfläche in Umfangsrichtung in mindestens zwei parallel zur Rohrlängsachse verlaufende Zonen (Z₁, Z₂, ..., Z_n) unterteilt ist, wobei die Zonen sich in mindestens zwei Zonenklassen (K₁, K₂, ..., K_j, K_j+ ₁, ..., K_m) unterscheiden lassen und sich Zonen unterschiedlicher Zonenklasse in Umfangsrichtung in beliebiger Abfolge abwechseln, wobei in Zonen mindestens einer Zonenklasse (K₁, K₂,..., K_j) Rippen (1) mit einer Rippenhöhe h₁ und unter einem Steigungswinkel α₁ zur Rohrlängsrichtung verlaufen, dergestalt dass bei Vorliegen von mehreren dieser Zonenklassen (K₁, K₂, ..., K_j) sich diese in mindestens einem der Merkmale Rippenhöhe und Steigungswinkel unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, dass in Zonen mindestens einer weiteren Zonenklasse (K_j+ ₁, K_j+2, ..., K_m) 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 (K_j+ ₁, K_j+2, ..., K_m) gleich oder vorzugsweise kleiner als die Rippenhöhen h, der Rippen (1) in den in Umfangsrichtung nächstliegenden Zonen der Zonenklassen (K₁, K₂,..., K_j) sind.
Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Zonen der Zonenklassen (K_j+1, K_j+2, ..., K_m) die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) einen Schnittwinkel von 30° bis 90° bilden.
Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zonen der Zonenklassen (K_j+ ₁, K_j+2, ..., K_m) 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.
Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Zonen der Zonenklassen (K_j+ ₁, K_j+2, ..., K_m) 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.
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).
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.
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.
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.
Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernwanddicke des Wärmeaustauschrohres, gemessen am Nutgrund (9) zwischen den Rippen (1) in den Zonen der Zonenklassen (K₁, K₂,..., K_j) bzw. in den Vertiefungen (5) zwischen den Rippen (2, 3) in den Zonen der Zonenklassen (K_j ₊ ₁, K_j+2, ..., K_m) außerhalb eines Schweißnahtabschnittes (7), in Umfangsrichtung des Rohres einheitlich ist.
Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einzelnen oder mehreren Zonen der Zonenklassen (K₁, K₂, ..., K_j) 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.