DE2600821A1

DE2600821A1 - Waermetauscherwand fuer einen kondensator und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE2600821A1
Application number: DE19762600821
Authority: DE
Inventors: Takahiro Daikoku; Kunio Fujie; Kimio Kakizaki; Heikichi Kuwahara; Wataru Nakayama
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1975-01-13
Filing date: 1976-01-12
Publication date: 1976-07-15
Also published as: GB1523942A; DE2600821C3; NL162316B; DE2600821B2; NL162316C; NL7600256A

Description

Wärmetauscherwand für einen Kondensator und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmetauscherwand mit einer auf eine geringe Temperatur gekühlten Wärme-Übertragungsfläche, an der Heißdampf auskondensiert, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Wand.

Herkömmliche Wärmetauscherwände zur Kondensation von Dampf, z. B. Kondensatorrohre für Turbo-Kälte geräte von großen Klimaanlagen, besitzen in der Regel glatte oder nur geringfügig gerippte Wärmeübergangsflächen, wobei die letzteren relativ flache einstückige Grate und Rippen aufweisen. An einer glatten Wärmetauscherfläche schlägt sich der Dampf in Form von Tröpfchen nieder, wobei nach weitergehender Kondensation die gesamte Fläche mit Flüssigkeitströpfchen bzw. einem relativ dicken Flüssigkeitsfilm bedeckt ist, durch dessen thermischen Widerstand die Wärmeleitung verringert und die Flächenleistung der Wärmeübergangsfläche herabgesetzt werden. Demgegenüber

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werden bei den geringfügig gerippten Flächen die Ausbildung derartig dicker Flüssigkeitsfilme verhindert, sie sind jedoch hinsichtlich des Wärmeübergangs-Wirkungsgrades ungenügend. Darüber hinaus genügen sie auch nicht den modernen Anforderungen einer leichteren und kleineren Ausführung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Wärmetauscherwand mit ausgezeichneten Kondensationseigenschaften zu s chaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die W arme Übergangs fläche von eine Kondensations-Wand bildenden Platten und Rohren Nuten unter einer geringen Steigung eingearbeitet werden, die zwischen sich scharf abgesetzte Kämme begrenzen, in deren oberste Kanten Kerben von geringer Steigung und gegenüber den Nuten geringererTiefe eingearbeitet werden.

Die Nuten können eine Tiefe von nicht mehr als 2 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 mm aufweisen und mit einer Steigung von nicht mehr als 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,0 mm angeordnet werden. Die in den von den Nuten begrenzten schmalen Kämmen eingearbeiteten Kerben können im wesentlichen eine gleiche Teilung und Steigung wie die Nuten haben.

Eine derartig profilierte Wärmeübergangsfläche kann auf einfache Weise durch Einarbeiten flacher Kerben mit einer geringen Steigung in die Fläche eine Wärmetauscherwand und anschließendem Formen der tieferen Nuten von geringer Steigung quer zu den flachen Kerben durch Einschneiden und pflugartiges öffnen der Nutflächen hergestellt werden. Das Verfahren zur Ausbildung einer solchen Wärmetauscherwand ist ein Merkmal der Erfindung. Die spanende Bearbeitung, durch

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welche die Fläche der Wärmetauscherwand nicht insgesamt abgetragen, sondern mehr verformt wird oder das pflugartige Einschneiden führt zu geneigten Schnitten. Dadurch werden die Nuten tiefer als die durch die Schneidwerkzeuge hervorgerufene Schnittiefe und damit die Kämme dünnwandiger. Die Ausbildung, der Nuten unter einer minimalen Steigung gestaltet sich auf diese Weise extrem einfach. Die dünnen Kanten der von den Nuten begrenzten Kämme sind scharfkantig mit einem Rest der geschnittenen und eine Kammflanke bildenden Ursprungs-Oberfläche.

Ist das Einschneiden dieser Nuten in die Fläche einer Wärmetauscherwand durch die Ausbildung der flacheren Nuten mit einer geringen Steigung auf der gleichen Fläche vorgegeben, dann trennt die pflugartige anschließende Riefung quer zu den flachen Nuten diese in gesonderte Kerben in den entstehenden Kämmen. Diese Bearbeitungsvorgänge sind gegenüber herkömmlichen Methoden zur Ausbildung von tiefen ersten Nutenund anschließendem Eindrücken von entsprechenden Kerben in den von den Nuten begrenzten Kämmen erheblich einfacher. Die erfindungsgemäß hergestellten Nuten sind so geneigt, daß sie ein Abfließen der Flüssigkeitströpfchen und Filme des Kondensates erleichtern.

Die die Kerben bildenden flachen Nuten können durch Schneiden oder Rollen in herkömmlicher Weise hergestellt werden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung im ,einzelnen ausführlich beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen vergrößerten Schnitt durch die Außenfläche eines erfindungsgemäß behandelten Kupferrohresj

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Pig. 2 ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Wärmeverbrauch und dem Koeffizienten der gesamten Wärmeübertragung eines erfindungsgemäßen Kondensatorrohres und eines bekannten "geringfügig gerippten" Kondensationsrohres;

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Wärmetauscherwand;

Pig. 4 einen vergrößerten Schnitt einer Wärmetauscherwand und eines Preßwerkzeuges zur Herstellung der Flächenkontur nach Fig. ^.

Der in Fig. 1 dargestellte Teil eines Kupferrohres 1 bildet eine Wärmetauscherwand, in deren Außenfläche Nuten in enger Steigung eingearbeitet sind, die zwischenliegende schmale Kämme 3 begrenzen. Die Kante jedes Kammes J5 weist flache V-förmige Kerben 4 von geringer Steigung auf, die gesonderte Kuppen 5 begrenzen. Der Wärmefluß erfolgt in Richtung des dargestellten Teiles.

Ein Kupferrohr mit einer derartigen Flächenstruktur kann durch Riffeln der Rohrflache und nachfolgende spanende, pflugartige Bearbeitung zur Ausbildung der aufeinanderfolgenden Kämme hergestellt werden.

Die V-förmigen Kerben 4 werden mit einem Riffelwerkzeug hergestellt, das aus mehreren Rollen mit spiralförmigen Riffelkanten besteht und in den Werkzeughalter einer Drehbank derartig eingesetzt ist, daß die Rollen gegen die Oberfläche des sich mit einem Spannfutter drehenden Kupferrohres angedrückt werden, wobei sich der Werkzeugsupport auf einer Schraubenbahn bewegt. Auf diese Weise entstehen flache durch-

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gehende spiralförmige Kerben von V-förmigem Querschnitt von nur geringer Steigung am Werkstück.

Anschließend wird dieses Werkstück durch eine pflug- oder schrämartige spanende Bearbeitung kreuzweise weiterbearbeitet. Mehrere Schneidwerkzeuge sind mit gleichmäßiger gegenseitiger Versetzung in einen Werkzeugsupport eingespannt und werden gegen die drehende Arbeitsfläche in Querrichtung zu den flachen V-förmigen Kerben z. B. unter einem Winkel von 45 ° zu den Kerben in gleicher Weise wie beim Einschneiden eines Meh,rganggewindes angetrieben. Dieser Schneidvorgang erzeugt durchgehende schraubenförmige tiefe Nuten 2 mit kleiner Steigung und entsprechende aufstehende Kanten 3 mit dünnen Wänden. Da die Kanten bzw. Kämme J durch pflugartiges Schneiden und Aufbiegen der schrägen Kupferrohr fläche durch die Schneidwerkzeuge erfolgt, bleibt die ursprüngliche Oberfläche des Rohres an einer Flanke und es bilden sich verjüngende scharfkantige Kämme. Diese Kämme erstrecken sich über die ursprüngliche Oberfläche des Rohres und die Tiefe der Nuten nach der spanenden Bearbeitung ist größer als die Schnittiefe durch die Werkzeuge. Der schräge Schnitt teilt die zuvor durch Rändeln oder Riffeln hergestellten flachen Kerben in eine Vielzahl von einzelnen Einschnitten 4 an den Kanten, wobei der Boden jedes Einschnittes zu einer Flanke jedes Kamms 3 geneigt ist.

Wenn ein derartig ausgestaltetes Wärmetauscherrohr horizontal eingespannt ist und zur Kondensation verwendet wird, dann fließen die Flussigkeitstropfehen oder ein von diesen Tröpfchen gebildeter Film aufgrund der Kondensation des Dampfes am oberen Teil jedes Rohres an den scharfkantigen Zähnen 5 unter den Einflüssen der Schwerkraft und der Oberflächenspannung des Kondensates in die Nuten 2 oder die

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Kerben 4. Der Flüssigkeitsfilm an den Zacken 5 wird dadurch verdünnt, so daß dort eine intensive Kondensation des Dampfes erfolgen kann.

Feine Kondensatströme werden in den Nuten 2 zusammengefaßt und fließen aufgrund der Schwerkraft nach unten ab, so daß die sich den Zacken 5 in Form von Tröpfchen bildende Flüssigkeit schnell abgeführt wird.

Die Kerben 4 in den Kanten der Kämme 3 unterstützen die Wirkung dieser Vorgänge und lassen einen dünnen Flüssigkeitsfilm über die gesamte Wandfläche des Wärmetauscher-

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rohres 'stehen, durch den sich/Effizienz der Übertragung erhöht.

Die in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscherwand braucht nicht unbedingt ein Rohr zu sein, sondern kann auch eine ebene Plattenfläche sein, wobei in diesem Falle die Kerben zum Verteilen eines Kondensates von geringer Fließfähigkeit zu den Nuten 2 dienen, in denen sie zu den benachbarten Nuten gesammelt wird, so daß sich der Flüssigkeitsfilm über der gesamten ebenen Wärmetaus eher fläche verdünnt.

Zur Verdeutlichung der vorteilhaften Wirkung einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsfläche sind in Fig. 2 Versuchsergebnisse mit einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherwand denjenigen einer bekannten gegenübergestellt. Rohre mit einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherwand und mit einer herkömmlichen geringfügig gerillten Wand wurden in Schlangen-Kesselkondensatoren von 300-Kühltonnen-Turbokühlern eingesetzt und die Kondensat ions Ie istungen beider Versuchs kondensat or en - mit

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Freon R-Il als Kühlmittel - verglichen.

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Die Aufheizung Q, ( in Kcal/mh) wurde auf der Abszisse und der Koeffizient der gesamten Wärmeübertragung Kc (in Kcal/mh ⁰C) als Ordinate aufgetragen.

In diesem Diagramm kennzeichnet die Linie A die Gesamtheit der Ergebnisse bei Verwendung von erfindungsgemäßen Kupfer-Wärmetauseherrohren mit einem Außendurchmesser von 19*2 mm, 0,4 mm Nutensteigung und 0,8 mm Nutentiefe, wobei die Nuten unter rechten Winkeln zur Rohrachse ausgerichtet waren, 0,2 mm Kerben-Steigung und 0,5 mm Kerbentiefe. Die Linie B kennzeichnet die Ergebnisse von geringfügig gerillten Kupferrohren von 18,6 mm Außendurchmesser, 1,4 mm Rillensteigung und 1,3 mm Rillenhöhe. Aus dem Diagramm läßt sich entnehmen, daß der Koeffizient der gesamten Wärmeübertragung bei den geringfügig gerillten Rohren ca 200 Kcal/mh ⁰C betrug, während er bei Verwendung von erfindungsgemäß behandelten Wärmetauscherrohren über JOO Kcal/mh ⁰C lag, woraus hervorgeht, daß bei letzteren der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung wesentlich höher ist.

Die Ausführung nach Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 durch in Richtung auf die Nuten 2 umgebogene Zacken 5 an den Kanten der Kämme 3· Eine Wärmetauscherwand mit einer derartigen Flächenkontur wird durch Verformungen der in Fig. 1 dargestellten Kämme 3 durch ein in Fig. 4 dargestelltes, genutetes Druckstück gehalten. Das Umbiegen der Kämme 3 durch Verformung beläßt die Kerben 4 zumindest in ihrem . .Fußteil als Schlitze, die mit von den abgebogenen Zacken 6 begrenzten Hohlkanälen 21 kommunizieren.

Bei der Kondensation von Dampf an einer derartigen Wärmetauscherwand fließen die Tröpfchen oder die aus diesen Tröpfchen.

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an den abgerundeten Zacken 6 gebildeten Filme in die Nuten 2 und die Hohlkanäle 21 unter den Wirkungen der Schwerkraft und der Oberflächenspannung des Kondensats. Die an den abgerundeten Zacken abfließenden verbleibenden Flüssigkeitsfilme gelangen an den Kanten der Schlitze oder Kerben 4 über die Hohlkanäle 21 in die Nuten 2. Die daraus folgende Verdünnung der Flüssigkeitsfilme an den abgerundeten Zacken erlaubt eine intensive Dampf kondensat ion mit einem vergrößerten Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad.

Ist die Wärmetauscherwand ein Rohr, dann wird sicheln Teil des nach abwärts fließenden Kondensats in den^mwesentlichen U-förmigen Hohlkanälen 21 im unteren Teil des Rohres sammeln. Durch die Schlitze bzw. die verformten Kerben 4 in den die Hohlkanäle 21 begrenzenden Kämmen ~5, kann die Flüssigkeit aus den Kanälen 21 abtropfen, so daß Kondensatteile von angrenzenden Rohrstücken vereinigt werden und die Flüssigkeit schnell von der Rohrfläche als Tropfen abgeführt wird.

Die Erfindung ermöglicht eine Verringerung der Abmessungen von Kondensatoren für Kühlaggregate, Klimaanlagen u.dgl., eine Verbesserung ihrer Wärmeübertragungs-Wirkungsgrade und eine Verringerung der Materialkosten, was von großem industriellem Vorteil ist.

Die Erfindung ist nicht nur an den Außenflächen von Kondensationsrohren, sondern auch an den Innenflächen von beispielsweise Heizleitungen o.dgl. anwendbar.

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Claims

Ansprüche

ί 1 ./Wärmetauscherwand zur Dampf kondensat ion mit einer Wandfläche von niedriger Temperatur, an der der der anströmende Dampf auskondensiert, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von mit geringer Steigung in die Wärmeübertragungsfläche (1) eingearbeitete Nuten (2), die zwischen sich dünnwandige scharfe Kämme (3) begrenzen, und durch in den Kanten der Kämme (3) angeordnete Kerben (4) von gegenüber den Nuten (2) geringerer Tiefe und einer geringen Steigung.
2. Wärmetauscherwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Wand eines Wärmetauscherrohres eingearbeiteten Nuten einen durchgehenden Fuß von Spiralform aufweisen.
3. Wärmetauscherwand nach Anspruch 2, dadrurch gekennzeichnet, daß die Kämme (3) aufrecht abstehen.
4. Wärmetauscherwand nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, cfeß die Kämme (3) an ihren Endkanten zu den Nuten (2) abgebogen sind.
5. Wärmetauscherwand nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (2) und Kerben (4) an der Außenfläche einer Rohrwand angeordnet sind.
6. Wärmetauscherwand nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (2) und Kerben (4) an der Innenfläche einer Rohrwand angeordnet sind.

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J, Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauscherwand zur Dampfkondensation, gekennzeichnet durch Einarbeiten von flachen Kerben (4) unter einer geringen Steigung in die Wärmeübertragungsf lache der Wand und anschließendes Formen von tieferen Nuten (2) unter einer geringen Steigung quer zu den flachen Kerben (4) durch schräm- bzw. pflugartiges Einschneiden und Aufbiegen der Fläche.

8. Verfahren nach Anspruch "J₃ dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Kerben durch Rillen oder Rollen hergestellt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das schrämartige Einschneiden in die Wärmeübertragungsfläche auf einer Drehbank erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,daß das schrämartige Einschneiden in die Wärmeübertragungsfläche durch eine Vielzahl von Schneidwerkzeugen erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch ¹J, dadurch gekennzeichnet,daß die Kanten der von den tieferen Nuten (2) begrenzten Rippen (3) in Richtung auf die tieferen Nuten (2) umgebogen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet,daß

die Kanten der Rippen (3) durch ein mit entsprechenden Nuten versehenes Werkzeug verformt und umgebogen werden.

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