DE2600821C3 - Wärmetauscherwand, insbesondere Wärmetauscherrohr, und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

genannten verschiedenen Bereichen ist, umso schneller fließt das Kondensat ab. Das Schärfen des Oberrandes jedes Kamms entspricht einer unendlich großen Krümmung, wodurch dort der Druck dei Kondensatfilms sehr hoch ist, weshalb wiederum die Oberflächenspannung für das Abströmen des Kondensatfilms vollständig ausnutzbar ist Da weiter durch das Ausbilden scharfkantiger Kerben dort ein längerer geneigter Rand erreicht wird, der für die Kondensation zur Verfügung steht, wird auch dadurch die Kondensationswirkung der Wärmetauscherwand erhöht. Schließlich weist die erfindungsgemäß ausgebildete Wärmetauscherwand nicht nur einen konkaven Bereich am Grunde der Nut, sondern auch einen weiteren konkaven Bereich am Bodenabschnitt jeder Kerbe auf, an dem sich die beiden Flächen der V-Kerbe treffen. Folglich sammelt sich das Kondensat auch in der Kerbe. Wesentlich dabei ist daß der Bodenabschnitt jeder Kerben gegenüber der ursprünglichen, d. h. unbearbeiteten Wärmetauscherfläche in Breitenrichtung des Kamms geneigt ist Dadurch wird die Strömung des Kondensats von dem Bodenabschnitt der Kerbe, in dem es gesammelt ist zur Nut erleichtert, wodurch die Verdünnung des Kondensatfilms weiter gefördert wird. Da schließlich die Tiefe der Kerben geringer ist als die Höhe der Kämme bzw. die Tiefe der Nuten, wird der Strömungswiderstand des durch die Nut strömenden flüssigen Kondensats niedrig, wodurch das flüssige Kondensat schneller abführbar ist. Da weiter die V-Kerben in benachbarten Kämmen zueinander \ersetzt angeordnet sind, kann das flüssige Kondensat von den Kerben der Kämme abwechselnd in die jeweilige Nut fließen, wodurch verhindert ist, daß das vom rechtsseitigen Kamm abfließende Kondensat auf das vom linksseitigen Kamm abfließende Kondensat be- J5 trifft, wodurch das Kondensat in der Nut ohne Störung des FließverhaUens in ruhiger Weise abführbar ist. Dadurch, daß der Abstand zwischen den Kämmen höchstens 1 mm beträgt, wird der Flächenbereich, in dem die Kondensation durchgeführt wird, vergrößert.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auf einfache und materialsparende Weise die erfindungsgemäß ausgebildete Wärmetauscherwand geschaffen, wobei es insbesondere auf einfache Weise möglich ist, die scharfen Ränder an sowohl den Kämmen als auch den V-Kerben herzustellen.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher ei läutert. Es zeigt

F i g. 1 vergrößert und perspektivisch sowie im Teilschnitt eine erfindungsgemäß ausgebildete Wärmetauscherwand, insbesondere ein Wärmetauscherrohr;

F i g. 2 ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Wärmeverbrauch und dem Koeffizienten des gesamten Wärmeübergangs eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohres und eines bekannten »geringfügig gerippten« Kondensationsrohres;

Fig.3 einen vergrößerten Schnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Wärmetauscherwand;

Fig.4 einen vergrößerten Schnitt einer Wärmetauscherwand und eines Preßv,tikzeuges zur Herstellung der Flächenkontur nach F i g. 3.

Der in F i g. 1 dargestellte Teil eines Kupferrohres 1 bildet eine Wärmetauscherwand, in deren Außenfläche Nuten 2 in enger Steigung eingearbeitet sind, die b5 zwischenliegende schmale Kämme 3 begrenzen. Der scharfe Oberrand jedes Kammes 3 weist flache V-Kerben 4 von geringer Steigung auf, die voneinander getrennte Kuppen 5 begrenzen. Der Wanmefluß erfolgt, in Richtung des dargestellten Pfeiles.

Ein Kupferrohr mit einer derartigen Flächenstruktur kann durch Riffeln der Rohroberfiäche und nachfolgende spanende, pflugartige Bearbeitung zur Ausbildung der aufeinanderfolgenden Kämme 3 hergestellt werden.

Die V-Kerben 4 werden mit einem Riffelwerkzeug hergestellt das aus mehreren Rollen mit spiralförmigen Riffelkanten besteht und in den Werkzeughalter einer Drehbank derart eingesetzt ist daß die Rollen gegen die Oberfläche des sich mit einem Spannfutter drehenden Kupferrohres 1 angedrückt werden, wobei sich der Werkzeugsupport auf einer Schraubenbahn bewegt. Auf diese Weise entstehen flache durchgehende 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 sich drehende Arbeitsfläche quer zu den flachen V-Kerben 4 z. B. unter einem Winkel von 45° zu den Kerben in gleicher Weise wie beim Einschneiden eines Mehrganggewindes angetrieben. Dieser Schneidvorgang erzeugt durchgehende wendeiförmige tiefe Nuten 2 mit kleiner Steigung und entsprechende aufstehende Kämme 3 mit dünnen Wänden. Da die Kanten bzw. Kämme 3 durch pflugartiges Einschneiden und Aufbiegen der schrägen Kupferrohrfläche durch die Schneidwerkzeuge erfolgt bleibt die ursprüngliche Oberfläche des Rohres an einer Flanke und es bilden sich verjüngende scharfkantige Kämme 3. Diese Kämme 3 erstrecken sich über die ursprüngliche Oberfläche des Rohres und die Tiefe der Nuten 2 nach der spanenden Bearbeitung ist größer als die Schnittiefe der Werkzeuge. Der schräge Schnitt teilt die zuvor durch Rändeln oder Riffeln hergestellten flachen Kerben in eine Vielzahl von einzelnen die V-Kerben 4 bildenden Einschnitten an den Oberrändern, wobei der Boden jeder V-Kerbe 4 zu einer Flanke jedes Kamms 3 geneigt ist.

Wenn ein derartig ausgestaltetes Wärmetauscherrohr horizontal eingespannt ist und zur Kondensation verwendet wird, fließen aufgrund der Kondensation des Dampfes gebildete Flüssigkeitströpfchen oder ein von diesen Tröpfchen gebildeter Film am oberen Teil jedes Rohres an den scharfkantigen Kuppen 5 unter den Einflüssen der Schwerkraft und der Oberflächenspannung des Kondensates in die Nuten 2 oder die V-Kerben 4. Der Flüssigkeitsfilm an den Zacken oder Kuppen 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 an den Kuppen 5 in Form von Tröpfchen bildende Flüssigkeit schnell abgeführt wird.

Die V-Kerben 4 in den Oberrändern der Kämme 3 unterstützen die Wirkung dieser Vorgänge und lassen einen dünnen Flüssigkeitsfilm über die gesamte Wandfläche des Wärmetauscherrohres entstehen, durch den sich die Effizienz der Übertragung erhöht.

Die in F i g. 1 dargestellte Wärmetauscherwand braucht nicht unbedingt ein Rohr zu sein, sondern kann auch eine ebene Plattenfläche sein, wobei in diesem Falle die V-Kerben 4 zum Verteilen eines Kondensates geringer Fließfähigkeit zu den Nuten 2 dienen, in denen

es zu den benachbarten Nuten 2 gesammelt wird, so daß sich der Flüssigkeitsfilm über der gesamten ebenen Wärmetauscherfläche verdünnt.

Zur Verdeutlichung der vorteilhaften Wirkung einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherfläche sind in Fig. 2 Versuchsergebnisse mit einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherwand denjenigen einer herkömmlichen gegenübergestellt. Rohre mit einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherwand und mit einer herkömmlichen geringfügig gerillten Wand wurden in Schlangen-Kesselkondensatoren von 300-K.ühltonnen-Turbokühlern eingesetzt, und die Kondensationsleistungen beider Versuchskondensatoren — mit »Freon R-11« als Kühlmittel — wurden verglichen.

Die Aufheizung Q (in kcai/mh) wurde auf der Abszisse und der Koeffizient des gesamten Wärmeübergangs Kc(in kcal/mh K) als Ordinate aufgetragen.

In diesem Diagramm kennzeichnet die Linie A die Gesamtheit der Ergebnisse bei Verwendung von erfindungsgemäßen Kupfer-Wärmetauscherrohren 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 des gesamten Wärmeübergangs bei den geringfügig gerillten Rohren ca. 200 kcal/mh K betrug, während er bei Verwendung von erfindungsgemäß behandelten Wärmetauscherrohren über 300 kcal/mh K lag, woraus hervorgeht, daß bei letzteren der Wirkungsgrad des Wärmetausches wesentlich höher ist.

Die Ausführung nach Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen nach F i g. 1 durch in Richtung auf die Nuten 2 umgebogene Kuppen 6 an den Oberrändern 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 7 erhalten. Das Umbiegen der Kämme 3 durch Verformung beläßt die Kerben 4 zumindest in ihrem Fußteil als Schlitze, die mit von den abgebogenen Kuppen 6 begrenzten Hohlkanälen 21 kommunizieren.

Bei der Kondensation von Dampf an einer derartigen Wärmetauscherwand fließen die Tröpfchen oder die aus diesen Tröpfchen an den abgerundeten Kuppen 6

ίο gebildeten Filme in die Nuten 2 und die Hohlkanäle 21 unter den Wirkungen der Schwerkraft und der Oberflächenspannung des Kondensats. Die an den abgerundeten Kuppen 6 abfließenden verbleibenden Flüssigkeitsfilme gelangen an den Kanten der Schlitze

!5 oder V-Kerben 4 über die Hohlkanäle 21 in die Nuten 2. Die daraus folgende Verdünnung der Flüssigkeitsfilme an den abgerundeten Kuppen 6 erlaubt eine intensive Dampfkondensation mit einem vergrößerten Wärmetauscher-Wirkungsgrad.

Ist die Wärmetauscherwand ein Rohr 1, dann wird sich ein Teil des nach abwärts fließenden Kondensats in den im wesentlichen U-förmigen Hohlkanälen 21 im unteren Teil des Rohres 1 sammeln. Durch die Schlitze bzw. die verformten V-Kerben 4 in den die Hohlkanäle 21 begrenzenden Kämmen 3 kann die Flüssigkeit aus den Hohlkanälen 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 ihres Wärmetauscher-Wirkungsgrades und eine Verringerung der Materialkosten, was von großem industriellen Vorteil

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscherwand, insbesondere Wärmetauscherrohr, mit mehreren an der Oberfläche der Wärmetauscherwand parallel zueinander angeordneten Nuten, die beim Wärmetauscherrohr vorzugsweise wendelförmig auf dessen Oberfläche verlaufen,

mit mehreren durch die Nuten voneinander beabstandeten und im wesentlichen zueinander parallelen Kämmen, wobei die Kämme ggf. gleichsinnig gegen die Wärmetauscherwand abgebogen sind, und mit am Oberrand der Kämme ausgebildeten V-förmigen Kerben einer Tiefe, die geringer ist als die Höhe der Kämme, dadurch gekenn· zeichnet,

daß die Oberränder der Kämme (3) scharf ausgebildet sind,

daß die V-Kerben (4) einen Abstand von höchstens 1 mm bei Messung längs des Kammes (3) haben, daß der Bodenbereich jeder V-Kerbe (4), an dem die beiden Flächen der V-Kerbe (4) einander schneiden, gegenüber der Fläche der Wärmetauscherwand in Breitenrichtung der Kämme (3) geneigt ist,

daß der Rand jeder V-Kerbe (4), mit dem sich die Fläche der V-Kerbe (4) mit dem jeweiligen Kamm

(3) schneidet, scharf ausgebildet ist, und

daß die in benachbarten Kämmen (3) ausgebildeten Kerben (4) gegeneinander versetzt angeordnet sind.

2. Wärmetauscherwand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (2) und die V-Kerben

(4) an der Innenfläche einer Rohrwand angeordnet sind.

3. Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauscherwand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die V-Kerben mit einem Abstand zwischen benachbarten V-Kerben von höchstens 1 mm in der Oberfläche der Wärmetauscherwand ausgebildet werden, und daß dann Nuten mit einer gegenüber den V-Kerben größerer Tiefe von höchstens 2 mm und mit einem Abstand von höchstens 1 mm durch pflugartiges Einschneiden in einer Richtung, die die der V-Kerben unter 45° kreuzt, ausgebildet werden, wobei mit dem Ausbilden der Nuten gleichzeitig durch diese voneinander getrennte Kämme mit scharfen Oberrändern gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die V-Kerben durch Rollen hergestellt werden. ^r>o

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das pflugartige Einschneiden in die Wärmeübertragungsfläche auf einer Drehbank erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das pflugartige Einschneiden in die Wärmeübertragungsfläche durch mehrere Schneidwerkzeuge erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberränder der <>o Kämme gleichsinnig in Richtung auf die Nuten umgebogen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberränder der Kämme durch ein mit Nuten versehenes Werkzeug umgebogen wer- &^r' den.

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherwand, insbesondere ein Wärmetauscherrohr, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Wärmetauscherwand.

Eine derartige Wärmetauscherwand ist für Siedezwecke bekannt (vgl. DE-OS 23 35 306). Bei dem bekannten Wärmetauscherrohr werden zunächst die Rippen auf dem Rohr ausgebildet und anschließend die Kerben geformt und zwar mittels insbesondere eines Rollvorgangs. Dadurch können die Oberränder der Kämme nicht scharf ausgebildet sein. Durch die Herstellungsweise des bekannten Wärmetauscherrohrs sind auch die Bodenbereiche der Kerben parallel zur Achse des Rohrs in Breitenrichtung der Kämme. Da weiter bei dem bekannten Wärmetauscherrohr die Kerben erst gebildet werden, nachdem die Kämme geformt worden sind, ist auch der Zustand des Bodenbereiches der Kerben durch die Bewegungsrichtung des die Kerben bildenden Werkzeugs bestimmt, weshalb es auch nicht möglich ist, den Bodenbereich der Kerben gegenüber der Achse des Rohrs geneigt auszubilden. Schließlich können auch die Ränder der Kerben nicht scharf ausgebildet werden.

Damof auf hoher Temperatur kondensiert bei Berührung mit einer relativ kalten Wärmetauscherwand, wodurch ein Flüssigkeitsfilm auf der V/andfläche gebildet wi-d. Mit fortschreitender Kondensation wird dieser Flüssigkeitsfilm dicker. Der sich ergebende Kondensatfilm besitzt geringere Wärmeleitfähigkeit als der Werkstoff der Wärmetauscherwand, wie Kupfer oder Aluminium, und stellt vielmehr einen schlechten Wärmeleiter dar. Damit Dampf auf der mit dem Kondensatfilm bedeckten Wärmetauscherwand kondensieren kann, muß die latente Kondensationswärme durch den Film hindurch zur Wand übertragen werden, wobei jedoch der Wärmeübergangskoeffizient mit dicker werdendem Kondensatfilm, d. h. mit größerwerdendem thermischen Widerstand abnimmt. Es ist also anzustreben, den Kondensatfilm zu verdünnen oder ein schnelleres Abfließen des Kondensats von der Wärmetauscherwand zu erreichen, um eine Verbesserung der Wärmetauschvorgänge zu erreichen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Wärmetauscherwand zu schaffen, an der ein über die Nuten und Kerben aufweisende Oberfläche geleiteter Dampf mit besonders hohem Wirkungsgrad kondensiert werden kann.

Die Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ein besonders einfaches und wirkungsvolles Verfahren zur Herstellung einer derartigen Wärmetauscherwand wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 3 angegeben.

Die Erfindung wird durch die Unteransprüche weitergebildet.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß dort, wo der Krümmungsradius eines konvexen Abschnitts des Kondensatsfilms gering ist, d. h. dort wo die Krümmung groß ist, nämlich am Oberrand jedes Kamms, der Druck des Films wegen dessen Oberflächenspannung hoch ist, während im Gegensatz dazu dort, wo der Krümmungsradius eines konkaven Abschnitts des Kondensatsfilms groß ist, d. h. dort wo die Krümmung klein ist, nämlich am Boden jeder Nut, lcr Druck des Films wegen der Oberflächenspannung niedrig ist. Dadurch wird ein Fließen des Kondensats in den Grund der Nut gefördert. Je größer die Differenz zwischen den Drücken im Kondensatfilm in den beiden