DE2109884A1 - Waermeuebertragungsrohr - Google Patents

Description

betreffend Wärmeübertragungsrohr

Bs gibt zahlreiche MlIe, in denen eine Flüssigkeit dadurch zum Sieden gebracht wird, daß ihr durch einen Wärmedurchgang von der Innenwand eines Rohrbündels Wärme zugeführt wird, das vollständig oder teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Hierbei ist es möglich, den dem Wärmedurchgang durch die Außenfläche solcher Rohre entgegengesetzten Widerstand erheblich zu verringern, wenn man auf der Außenseite der Rohre eine poröse Siedefläche vorsieht.

Man erhält eine solche poröse Siedefläche, indem man Metallpulver von geregelter Teilchengröße auf die Oberfläche des Rohrs aufbringt und das Metallpulver danach sintert. Sin solches Verfahren zum Aufbringen einer porösen Siedefläche ist mit allen Einzelheiten in der U.S.A.-Patentschrift 3 384 154 beschrieben.

Die vorliegende Erfindung läßt sich allgemein bei Einrichtung anwenden, bei der ein Rohrbündel in einem Mantel angeordnet ist, der die zum Sieden zu bringende Flüssigkeit enthält, und bei welcher sich der Wärmeübergang von einem durch das Rohr geleiteten Flud zu der die Außenfläche dea Rohrs berührenden Flüssigkeit vollzieht. Als ein Beispiel

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für die lalle, in denen sich die Erfindung auf besonders vorteilhafte Weise anwenden läßt, seien die sogenannten überfluteten Kühler genannt, die gewöhnlich bei Kühlanlagen und Luftklimatisierungseinrichtungen verwendet werden. Ein solcher Kühler umfaßt einen Mantel, in dem mehrere Rohre angeordnet sind. Im Inneren der Rohre wird gewöhnlich Wasser oder eine Sole verwendet, und das Rohrbündel ist vollständig oder teilweise in ein flüssiges Kühlmittel eingetaucht, bei dem es sich gewöhnlich um ein Fluortriehlormethan-Kühlmittel handelt. Die die Innenfläche der Rohre berührende Flüssigkeit befindet sich auf einer höheren Temperatur, so daß das Kühlmittel auf der Außenseite der Rohre'zum Sieden gebracht wird. Bis jetzt spielt sich hierbei der Wärmeübergang auf eine solche Weise ab, daß der Siedebeiwert auf der Außenseite jedes Rohrs vergleichsweise niedriger ist als auf der Innenseite des Rohrs, so daß sich günstige Bedingungen bei der Verwendung eines Rohrs ergeben, dessen Außenfläche vergrößert ist. Bis heute verwendet man daher auf ihrer Außenseite mit Rippen versehene Rohre. In neuerer Zeit wurde ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, die Wärmeübertragungseigenschaften auf der Siedeseite annähernd um den Faktor 10 zu verbessern. Gemäß diesem Verfahren wird auf die Außenfläche des Rohrs ein poröser Überzug aus Metallpulvern aufgebracht, der nach dem Aufbringen gesintert wird. Ein solches Rohr wird, als Rohr mit einer porösen Siedefläche bezeichnet.

Bei der Weiterentwicklung solcher Rohre mit poröser Siedefläche treten zwei Schwierigkeiten auf. Die erste Schwierigkeit ist darauf zurückzuführen, daß die erhebliche Verbesserung bezüglich des Wärmeübergangs- bzw. Siedebeiwertes auf der Außenseite bewirkt, daß der Wärmeübergangsbeiwert auf der Innenseite des Rohrs zur maßgebenden Größe wird. Infolgedessen würde es sehr vorteilhaft sein, wenn es möglich wäre, bei einem Rohr mit einer porösen äußeren Bxedefläohe die Wärmeübergangseigenschaften auf der Innenseite des Rohrs auf irgendeine Weise zu verbessern·

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Die zweite der genannten Schwierigkeiten ergibt sich daraus, daß die mechanische Handhabung eines solchen Rohrs schwierig ist. Da der gesinterte Überzug eine erhebliche Dicke besitzt, wurden die nicht mit dem Überzug versehenen Enden und alle keinen Überzug tragenden Abschnitte zwischen den Enden eines glatten Rohrs einen Außendurchmesser haben, der etwas kleiner ist als der Außendurchmesser der mit dem Überzug versehenen Abschnitte. Wenn die in den Rohren ausgebildeten Löcher so bemessen sind, daß sie jeweils ein Rohrende aufnehmen können, ist es daher nicht möglich, die mit dem Überzug versehenen Rohrabschnitte durch diese öffnungen hindurchzuführen. Man könnte diese Schwierigkeit dadurch vermeiden, daß man die Rohrenden nach dem Sintern des Metallpulvers aufweitet, so daß sie mit einer porösen Siedefläche versehen sind. Hierbei führen jedoch die zwischen den Rohrenden liegenden, keinen Überzug tragenden Abschnitte zu größeren Schwierigkeiten, denn das Aufweiten dieser Abschnitte führt zu einem erheblich größeren Kostenaufwand als das Aufweiten der Endabschnitte.

Gemäß der Erfindung werden die beiden genannten Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß die Abschnitte des Wärmetauscherrohrs zwischen den glatten Endabschnitten, mit denen sie beispielsweise in Rohrböden gehalten sind (in die sie eingewalzt oder eingeschweißt sind), und gegebenenfalls die zwischen den Indabschnitten vorgesehenen glatten Abschnitte mit Wellungen ver— sehen werden die nicht größer als der Außendurchmesser der End- und glatten Abschnitte sind und eine poröse Siedefläche aufweisen. Der hierzu dienende Arbeitsschritt bei der Herstellung wird in der Weise ausgeführt, daß der größte Außendurchmesser der gewellten Rohrabschnitte um einen Betrag verkleinert wird, der ausreicht , um das Aufbringen des die poröse Siedefläche bildenden Werkstoffs zu ermöglichen, ohne daß sich hierdurch der Außendurchmesser dieser Abschnitte über den Außendurchmesser der Endabschnitte oder glatten Abschnitte hinaus vergrößert.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein erfindungagemäßes Rohr im Längsschnitt.

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Fig. 2 zeigt in einem größeren Maßstab einen Teil eines Querschnitts des Rohrs nach Fig. 1 und läßt die Anordnung einer porösen Siedefläche auf einem gewellten Rohrabschnitt aus Metall erkennen.

In den Zeichnungen erkennt man ein Rohr 10, das mit glatten zylindrischen Enden 12 und 14 versehen ist und zwischen seinen Enden einen oder mehrere glatte zylindrische Abschnitte aufweist, von denen einer bei 16 dargestellt ist. Zwischen den glatten Endabschnitten 12 und 14 sowie den dazwischen liegenden glatten Abschnitten, z.B. dem Abschnitt 16, ist das Rohr mit Wellungen 18 versehen. Diese Wellungen werden mit Hilfe eines Verfahrens geformt, bei dem der größte Außendurchmesser der gewellten Rohrabschnitte auf einen Durchmesser verkleinert wird, der erheblich kleiner ist als der Außendurchmesser der glatten Rohrabschnitte 12, 14 und 16.

Der Außendurchmesser jedes gewellten Abschnitts ist in einem solchen Ausmaß kleiner als der Außendurchmesser der glatten Rohrabschnitte, daß es möglich ist, das poröse Siedeflächenmaterial 20 auf die gewellten Abschnitte mit einer ausreichenden Dicke aufzubringen, wobei der Außendurchmesser der mit dem Überzug versehenen gewellten Abschnitte kleiner gehalten wird als der Außendurchmesser der glatten Rohrabschnitte.

Beim Vereinigen mehrerer Wärmeübertragungsrohre zu einem Bündel werden die verschiedenen Rohre in Rohrwände eingebaut und mit diesen Rohrwänden verbunden, die Öffnungen haben, deren Durchmesser bei einer typischen Konstruktion um etwa 0,38 mm größer ist als der Außendurchmesser der Rohrenden und der glatten Rohrabschnitte zwischen den Rohrenden. Es ist erwünscht und in manchen Fällen erforderlich, das Wärmeübertragungsrohr durch die Öffnungen in der Rohrwand JtiindurchsufUhren, und dies ist natürlich möglich, wenn der Außendurchinesser jedes gewellten, mit einem porösen Siedeflächenmaterial überzogenen gewellten Rohrabschnitts kleiner ist als der Außendurchmesser der glatten Rohrabschnitte. Dies wird natürlich dadurch ei-mög-

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licht, daß die Rohrabschnitte, die mit dem Überzug versehen werden sollen, auf eine solche Weise gewellt werden, daß ihr Außendurchmesser in einem Ausmaß verkleinert wird, das etwas größer ist als die durch das Aufbringen des Überzugs verursachte Vergrößerung des Durchmessers.

Wenn die Wellungen auf eine solche Weise und mit solchen Abmessungen erzeugt werden, daß sie den bei der Anordnung verwendeten Fluden angepaßt werden, wird eine erhebliche Verringerung des thermischen Widerstandes an der Innenfläche der gewellten Rohrabschnitte erzielt.

Somit sind bei einem gemäß der Erfindung hergestellten Rohr nicht nur die Schwierigkeiten vermieden, die sich aus dem Verhältnis zwischen dem Rohrdurchmesser und dem Durchmesser der Öffnungen in den Rohrwänden ergeben, wodurch die Notwendigkeit des Ausführens von Aufweitungsvorgängen vermieden wird, sondern es wird auch eine vorteilhafte Verbesserung der Wärmeübergangseigenschaften auf der Innenseite des Rohrs erzielt, wobei es sich gezeigt hat, daß sich das Wärmeübertragungsvermögen des mit dem Überzug versehenen Rohrs insgesamt um den Faktor 2,5 verbessert.

Im allgemeinen kann man ein glattes Rohr mit zwischen glatten Abschnitten liegenden gewellten Abschnitten versehen, die jeweils eine einzige schraubenlinienförmige Wellung aufweisen, deren Ganghöhe gleich dem Rohrdurchmesser oder kleiner als der Rohrdurchmesser ist. Die Tiefe der Wellungen wird gewöhnlich so gewählt, daß das Verhältnis zwischen der Ganghöhe und der Tiefe im Bereich von 5:1 bis 25s 1 liegt.

Bei einer bestimmten Ausführungsform wurde ein Rohr aus der Kupferlegierung 192 mit einem Außendurchmesser von 25,4 mm und einer Y/andstärke von etwa 0,89 mm mit einer Wellung versehen, deren Ganghöhe 6,35 mm und deren Tiefe etwa 0,81 mm betrug. JSin Stück eines solchen Rohrs ist in Pig. I in einem verkürzten, jedoch nicht maßstäblich gezeichneten Längsschnitt dargestellt. Die Wellung ist hierbei in Gestalt

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einer einzigen schraubenlinienförmigen Wellung ausgebildet, deren Ganghöhe im vorliegenden lall einem Yiertel des Rohrdurchmessers entspricht. Die Tiefe der Wellung ist bei dieser Ausführungsform so gewählt, daß sich für das "Verhältnis zwischen der Ganghöhe und der Tiefe der Wert 8 ergibt. Die auf den bzw. jeden gewellten Rohrabschnitt aufgebrachte poröse Siedefläche hat eine Dicke von etwa 0,38 mm, und der Außendurchmesser jedes mit dem Überzug versehenen Abschnitts beträgt etwa 24,9 mm. Da die glatten Abschnitte einschließlich der Bndabschnitte 12 und 14 und des bzw. jedes mittleren glatten Abschnitts 16 einen Außendurchmesser von genau 25,4 mm haben, läßt sich das erfindungsgemäße Rohr leicht in die Rohrwand eines Kühlers einbauen.

Untersuchungen, die an typischen, mit einem Überzug versehenen Rohren durchgeführt wurden, bei denen die den Überzug tragenden Abschnitte nicht gewellt waren, und bei denen das poröse Siedeflächenmaterial auf glatte Rohrabschnitte aufgebracht war, deren Außendurchmesser ebenso groß war wie der Außendurchmesser der Endabschnitte und der nicht mit einem Überzug versehenen Zwischenabschnitte, ergaben unter bestimmten Bedingungen einen thermischen Widerstandswert von 0,00179 hr/°F/Quadratfuß/britische Wärmeeinheit, ^enn man das beschriebene Wellungsverfahren anwendet, um den Durchmesser der einen Überzug tragenden Abschnitte zu verkleinern, so daß man ein Erzeugnis der in Fig. 1 gezeigten Art erhält, ergibt sich unter den gleichen Bedingungen wie bei dem vorstehenden Beispiel ein thermischer Widerstandswert von 0,000726 hr/°]?/Quadratfuß/britische Wärmeeinheit. Aus der vorstehenden Beschreibung ist somit ersichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Rohrmaterial nicht nur die auf den Durchmesser zurückzuführenden Schwierigkeiten beseitigt sind, sondern daß auch der gesamte thermische Widerstand im Vergleich zu einem glatten, jedoch mit einem Uberaug versehenen Rohr uu den sehr erheblichen Faktor von 2,5 verringert wird.

Ansprüche:

I 0 9 B 5 1 / 1 5 5 5

Claims (1)

1. ANSPRÜCHE

   Wärmeübertragungsrohr, das dazu dient, eine seine Außenfläche berührende Flüssigkeit dadurch zum Sieden zu bringen, daß auf sie Wärme von einem durch das Rohr strömenden Flud übertragen wird, das zu Wärmetauscherrohrbündeln verbaubar ist,

   fe,st „

   indem es mit seinen Endabschnitten/m die öffnungen eines Rohrbodens eingebaut, z.B. eingewalzt wird, und dessen Außenoberfläche teilweise mit einem porösen Siedeflächenüberzug versehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr glatte Endabschnitte (12, H) und zwischen diesen Endabschnitten einen gewellten Abschnitt umfaßt, der auf seiner Außenseite mit dem porösen Siedeflächenüberzug (20) versehen ist und dessen Außendurchmesser einschließlich diesem Überzug nicht größer, vorzugsweise kleiner als der Außendurchmesser der glatten Endabschnitte ist·

   2 ο Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr zwischen seinen Endabschnitten (12, 14) einen glatten Abschnitt (16) umfaßt, der von den Endabschnitten durch gewellte Abschnitte getrennt ist, und daß dieser Zwischenabschnitt den gleichen Außendurchmesser hat wie die Endabs chnitte _o

   3. Rohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der gewellte Abschnitt mit einer einzigen schraubenlinienförmigen Wellung versehen ist.

   4. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe der Wellung gleich dem Durchmesser der glatten Rohrabschnitte (12, 14, 16) oder kleiner als dieser Durchmesser ist.

   10 II

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   5. Rohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Tiefe der Wellung so gewählt ist, daß der Wert des Verhältnisses zwischen der Ganghöhe und der Tiefe zwischen 5:1 und 25:1 liegt.

   6. Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragungsrohrs aus glattem Rohrmaterial, dadurch ge.kennzeichne t , daß ein Abschnitt oder mehrere Abschnitte des Rohrs, die zwischen den Enden des Rohrs liegen, gewellt werden, wobei die Bndabschnitte des Rohrs ihre glatte Form beibehalten, daß dieses Vie Ilen so durchgeführt wird, daß der Außendurchmesser der Wellungen bemerkbar kleiner ist als der Außendurchmesser der glatten Rohrenden, und daß ein Überzug aus einem porösen Siedeflächenmaterial nur auf dem bzw. jedem gewellten Abschnitt des Rohrs mit einer solchen Dicke vorgesehen wird, daß der Gresamtaußendurchmesser des oder jedes mit dem Überzug versehenen gewellten Abschnitts kleiner ist als der Außendur ehmess er· der glatten Rohrabschnitte.

   7· Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Rohr mit mehreren zwischen seinen Enden liegenden gewellten Abschnitten versehen wird, die durch glatte Abschnitte getrennt sind, welche den gleichen Außendurchmesser haben wie die glatten Endabschnitte.

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