DE69509320T2

DE69509320T2 - Rohr für einen Wärmeaustauscher

Info

Publication number: DE69509320T2
Application number: DE69509320T
Authority: DE
Inventors: Donald L. Bennett; Daniel P. Gaffaney; Hannu T. Heiskanen; Gerald L. Riggs; Edward G. Rottmann; James M. Satterly; Steven J. Spencer
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1994-08-08
Filing date: 1995-08-03
Publication date: 1999-09-23
Anticipated expiration: 2015-08-04
Also published as: EP0696718B2; BR9503583A; KR0169185B1; CN1123401A; EP0696718B1; US5975196A; JPH0861878A; DE69509320D1; ES2133699T5; EP0696718A1; DE69509320T3; CN1084876C; ES2133699T3; KR960008263A; JP2686247B2

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Wärmeübertragungsrohr mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Wärmeübertragungsrohr ist beispielsweise aus der EP-A-0 603 108 bekannt und wird in den Wärmetauschern von Klima-, Kälte(AC&R)- oder ähnlichen Anlagen verwendet.
Konstrukteure von Wärmeübertragungsrohren haben seit langem erkannt, daß die Wärmeübertragungsleistung eines Rohrs mit Oberflächenvergrößerungen besser als die eines glattwandigen Rohrs ist. Eine breite Vielfalt von Oberflächenvergrößerungen einschließlich Rippen, Lamellen, Beschichtungen und Einsätzen, um nur einige wenige zu nennen, wurde auf sowohl inneren als auch äußeren Rohroberflächen angebracht. Nahezu allen Ausgestaltungen von Vergrößerungen gemeinsam ist der Versuch, die Wärmeübertragungsfläche des Rohres zu vergrößern. Die meisten Ausgestaltungen versuchen auch, Wirbel in dem durch oder über das Rohr strömenden Fluid anzuregen, um die Durchmischung des Fluids zu fördern und die Grenzschicht an der Oberfläche des Rohres aufzubrechen.
Ein großer Prozentsatz von AC & R- sowie Motorkühlungswärmetauschern ist von der Lamellen- und Rohr-Bauart. In solchen Wärmetauschern sind die Rohre außen unter Verwendung von an der Außenseite der Rohre befestigten Lamellen vergrößert. Die Wärmeübertragungsrohre haben häufig auch innenliegende Wärmeübertragungsvergrößerungen in Form von Modifikationen der inneren Oberfläche des Rohres. Eine derzeit eingesetzte, sehr wirksame Vergrößerung der inneren Oberfläche ist ein Muster aus Rippen, die sich von der inneren Wand des Rohres aus erstrecken und parallel zu oder nahe an der Längsachse des Rohres verlaufen. Das Rohr hat so nicht nur eine gute Wärmeübertragungsleistung, sondern ist auch verhältnismäßig einfach herzustellen, insbesondere durch einen Prozeß des Walzprägens des Vergrößerungsmusters auf einer Seite eines Metallstreifens und sodann des Profilwalzens des Streifens in eine rohrförmige Gestalt und des Verschweißens des resultierenden Spalts.
In einem typischen Wärmetauscher in Rohrbauart sind viele Rohrverbindungsstellen vorhanden. Diese Verbindungsstellen werden üblicherweise hergestellt durch Erweitern des Endes eines ersten Rohres derart, daß der Innendurchmesser des konisch erweiterten Abschnitts geringfügig größer ist als der ursprüngliche äußere Durchmesser des Rohres. Sodann wird das Ende eines zweiten Rohres in den erweiterten Abschnitt des ersten Rohres eingeführt, und es werden die beiden Rohre durch einen Prozeß wie beispielsweise Hartlöten, Schweißen oder Weichlöten verbunden.
Ein Beispiel eines typischen Wärmetauscherrohres mit inneren Wärmeübertragungsvergrößerungen in Form einer Vielzahl von auf der inneren Oberfläche ausgebildeten Rippen und in den Rippen ausgebildeten und sich durch dieselben erstreckenden parallelen Einkerbungen ist in der EP-A-0 603 108 (Oberbegriff des Patentanspruchs 1) beschrieben.
Der übliche Weg des Erweiterns eines Rohrendes sind mechanische Maßnahmen wie beispielsweise Einführen eines sich trichterförmig oder konisch erweiternden Werkzeuges in das Rohr. Der Prozeß des konischen Erweiterns bedingt Spannungen in der Rohrwand. Diese Spannungen können dazu führen, daß die Rohrwand reißt, insbesondere dann, wenn das Rohr aus einem verhältnismäßig weichen Metall wie beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt ist, wie es vorwiegend bei in AC & R- Wärmetauschern verwendeten Rohrleitungen der Fall ist. Ein Rohr mit einem erweiterten Ende, welches starke Risse aufweist, muß ausgemustert werden. Das Problem des Reißens ist speziell bei Rohrleitungen mit den vorstehend beschriebenen Längsrippen ausgeprägt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das vorstehend erwähnte Problem des Reißens zu überwinden sowie eine verbesserte Wärmeübertragungsleistung zu erzielen.
Um dies zu erreichen, ist das erfindungsgemäße Wärmeübertragungsrohr durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beanspruchten Merkmale gekennzeichnet.
Grundlegend umfaßt in Übereinstimmung mit der Erfindung die Wand des Rohres eine Schweißzone, die sich auf beiden Seiten einer Schweißraupe nach außen erstreckt. Die Rippen sind auf der inneren Oberfläche außerhalb der Schweißzone ausgebildet, und die Einkerbungen sind an der inneren Oberfläche sowohl innerhalb als auch außerhalb der Schweißzone ausgebildet, wobei sich aber die Einkerbungen nicht durch die Schweißraupe erstrecken.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungsrohr weist eine innere Oberfläche auf, die so konfiguriert ist, daß sie die Wärmeübertragungsleistung des Rohres vergrößert. Die innere Vergrößerung ist eine gerippte innere Oberfläche. Ein Muster aus parallelen Einkerbungen ist derart mit einem Winkel in die und durch die Rippen sowie in die innere Wand des Rohrs eingeprägt, daß auch die innere Rohrwand zwischen den Rippen eingekerbt ist. Die vergrößerte Oberfläche erhöht den inneren Oberflächeninhalt des Rohres und erhöht somit die Wärmeübertragungsleistung des Rohres. Die vergrößerte Oberfläche fördert ferner die Strömungsbedingungen innerhalb des Rohres, die die Wärmeübertra gungsleistung des Rohres erhöhen. Die Einkerbungen dienen auch dem Hemmen der Ausbreitung von Rissen in der Rohrwand und verbessern somit die Erweiterbarkeit des Rohres.
Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungsrohr wird durch Walzprägen der vergrößerten Oberfläche auf einer Seite eines Streifens aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt. Der Streifen wird sodann in ein Rohr mit der vergrößerten Oberfläche auf der Innenseite des Rohres profilgewalzt und nahtgeschweißt. Ein derartiger Herstellungsprozeß ist in der Lage, Rohrleitungen schnell und wirtschaftlich zu produzieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die beigefügten Zeichnungen bilden Teil der Beschreibung. In den Zeichnungen identifizieren gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
Fig. 1 ist eine bildhafte Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohres.
Fig. 2 ist eine geschnittene Seitenansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohres.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Herstellen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohres.
Fig. 4 ist eine veranschaulichende, geschnittene Seitenansicht eines Abschnitts eines Metallstreifens mit einer Oberfächenvergrößerung.
Fig. 5 ist eine veranschaulichende, geschnittene Seitenansicht der Wand des Wärmeübertragungsrohres.
Fig. 6 ist eine veranschaulichende Draufsicht auf einen Metallstreifen mit einer Oberflächenvergrößerung.
Fig. 7 ist eine veranschaulichende Draufsicht auf einen Abschnitt der Wand eines Wärmeübertragungsrohres.
Fig. 8 ist eine isometrische Ansicht eines Abschnitts der Wand des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohres.
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf einen Abschnitt der Wand des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohres.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht der Wand des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohres entlang der Linie X-X in Fig. 9.
Fig. 11 ist eine Schnittansicht der Wand des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohres entlang der Linie XI-XI in Fig. 9.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Fig. 1 zeigt in einer isometrischen Gesamtansicht das erfindungsgemäße Wärmeübertragungsrohr. Das Rohr 50 hat eine Rohrwand 51, auf der eine innere Oberflächenvergrößerung 52 ausgebildet ist. Ein konisch erweiterter Abschnitt 56 des Rohres 50 ist derart in dem Rohr ausgebildet, daß ein zweites Rohr desselben Durchmessers wie der des Rohres 50 in den konisch erweiterten Abschnitt eingeführt werden kann, um eine Verbindung herzustellen.
Fig. 2 zeigt das Wärmeübertragungsrohr 50 in einer quergeschnittenen Seitenansicht. Aus Klarheitsgründen sind in Fig. 2 nur eine einzelne Rippe 53 und eine einzelne Einkerbung 54 der Oberflächenvergrößerung 52 (Fig. 1) gezeigt, jedoch erstrecken sich in dem erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsrohr eine Vielzahl von Rippen 14, sämtlich parallel zueinander, ausgehend von der Wand 51 des Rohres 50. Die Rippe 53 ist in einem Winkel α gegen die Rohrlängsachse aT geneigt. Die Einkerbung 54 erstreckt sich in und durch die Rippe 53 und auch in die Wand 51. Die Einkerbung 54 ist in einem Winkel β gegen die Längsachse aT geneigt. Das Rohr 10 hat, von der inneren Oberfläche des Rohres zwischen den Rippen gemessen, einen Durchmesser Di.
Fig. 3 zeigt schematisch das Verfahren zur Herstellung der Erfindung. Bei dem Verfahren wird die Vergrößerung 52 auf einer Oberfläche eines Metallstreifens durch Walzprägen ausgebildet, bevor der Streifen zu einem kreisförmigen Querschnitt profilgewalzt und zu einem Rohr nahtgeschweißt wird. Zwei Walzprägestationen 10 bzw. 20 sind in der Fertigungsstraße zwischen der Zufuhrquelle unbearbeiteten Metallstreifens und dem Abschnitt der Fertigungsstraße, in dem der Streifen in eine rohrförmige Form profilgewalzt wird positioniert. Jede Prägestation weist eine strukturierte Vergrößerungswalze 11 bzw. 21 sowie eine Hilfswalze 12 bzw. 22 auf. Die Hilfs- und die Strukturwalze in jeder Station werden durch eine (nicht gezeigte) geeignete Einrichtung mit ausreichender Kraft zusammengepreßt, um zu bewirken, daß die Oberfläche 13 auf der Walze 11 in die Oberfläche einer Seite des Streifens 30 eingeprägt wird, so daß das Vergrößerungsmuster 31 auf dem Streifen erzeugt wird. Die strukturierte Oberfläche 13 ist das Spiegelbild des gerippten Abschnitts der Oberflächenvergrößerungen in dem fertiggestellten Rohr. Die strukturierte Oberfläche 23 auf der Walze 21 weist eine Reihe erhabener Vorsprünge auf, die sich in das Vergrößerungsmuster 31 drücken und die Einkerbungen in dem fertiggestellten Rohr ausbilden.
Das Vergrößerungsmuster 31 erstreckt sich nicht bis zu den Kanten des Streifens 30, die durch die strukturierte Oberfläche 23 ausgebildeten Einkerbungen erstrecken sich jedoch bis zu den Streifenkanten. Die Fig. 4 und 6 bzw. die Fig. 5 und 7 veranschaulichen, was geschieht, wenn der vergrößerte Streifen zu einem Rohr profilgewalzt und nahtgeschweißt wird. Fig. 4 ist eine geschnittene Seitenansicht des Streifens 30. Fig. 6 ist eine Aufsicht des Streifens 30. An einer Kante des Streifens 30 befindet sich eine Schweißzone 33', und an der anderen befindet sich eine Schweißzone 33'. Die durch die strukturierte Oberfläche 23 (Fig. 3) ausgebildeten Einkerbungen erstrecken sich über die gesamte Breite des Streifens einschließlich der Schweißzonen 33' und 33 Nach dem Profilwalzen und dem Nahtschweißen wird der Streifen 30 zu dem Rohr 50. Fig. 5 ist eine geschnittene Seitenansicht und Fig. 7 ist eine Aufsicht des Rohres 50 dann, wenn dieses längsweise entlang einer der Schweißraupe diametral gegenüberliegenden Linie aufgeschnitten und dann flachgerichtet wird. Das Rohr 50 weist eine einzige Schweißzone 33 auf mit einer Schweißraupe 35, die durch diese verläuft. Der Schweißprozeß verschmilzt und deformiert das Metall in dem Streifen 30/dem Rohr 50 derart, daß keine Einkerbungen in der Schweißraupe 35 vorhanden sind, jedoch Einkerbungen in dem Abschnitt der Schweißzone 33 vorhanden sind, der während des Schmelzprozesses nicht aufgeschmolzen wurde.
Fig. 8 ist eine isometrische Ansicht eines Abschnitts der Wand 51 des Wärmeübertragungsrohres 50, die Einzelheiten der Oberflächenvergrößerung 52 zeigt. Eine Vielzahl von Rippen 53 erstreckt sich von der Wand 51 nach außen. In Abständen entlang der Rippen und sich in die Wand 51 erstreckend befinden sich eine Reihe von Einkerbungen 54. Das bei dei Ausbildung der Einkerbungen in den Rippen bewegte Material verbleibt als Vorsprünge 55, die von jeder Seite einer gegebenen Rippe 53 um jede Einkerbung 54 in dieser Rippe nach außen vorstehen. Die Vorsprünge haben eine starke Auswirkung auf die Wärmeübertragungsleistung des Rohres, da sie sowohl den dem durch das Rohr fließenden Fluid ausgesetzten Oberflächenbereich des Rohres vergrößern als auch Wirbel in dem Fluidstrom nahe der inneren Rohroberfläche fördern.
Fig. 9 ist eine Aufsicht eines Abschnitts 51 des Rohres 50. Die Figur zeigt die Rippen 53, die auf der Wand angeordnet sind, mit den in die Rippen und in die Wand 51 eingeprägten Einkerbungen 54. Der Winkel zwischen den Einkerbungen und der Rohrlängsachse ist der Winkel β.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht der Wand 51 entlang der Linie X-X in Fig. 9. Die Figur zeigt, daß die Rippen 53 eine Höhe Hr haben, daß die Wand 51 (ohne Rippen) eine Dicke Tw hat und daß sich das Einkerbungsmuster bis in eine Tiefe Dnw in die Wand 51 erstreckt.
Fig. 11 ist eine Schnittansicht der Wand 51 entlang der Linie XI-XI in Fig. 9. Die Figur zeigt, daß die Einkerbungen 54 durch die Rippen 54 und in die Wand bis in die Tiefe Dnw eingeprägt sind.
Für eine optimale Wärmeübertragung, die mit einem minimalen Fluidstromwiderstand vereinbar ist, sollte ein erfindungsgemäßes Rohr mit einem Nenn-Außendurchmesser von 16 mm (5/8 Zoll) oder weniger eine innere Vergrößerung mit den vorstehend beschrieben Merkmalen sowie den folgenden Parametern aufweisen:
a. der Winkel zwischen den Rippen und der Längsachse des Rohres sollte zwischen Null Grad, d. h. im wesentlichen parallel zu der Rohrachse, und 35 Grad oder
0º < α < 35º
betragen;
b. der Einfallswinkel zwischen der Achse der Einkerbungen und der Längsachse des Rohres sollte zwischen 15 und 90 Grad oder
15º < β < 90º
betragen;
c. das Verhältnis der Rippenhöhe zu dem inneren Durchmesser des Rohres sollte zwischen 0,010 und 0,050 oder
0,010 < Hi/Di < 0,050
liegen; und
d. die Einkerbungen sollten vollständig durch die Rippen und in den Hauptabschnitt der Rohrwand eindringen; die Eindringtiefe der Einkerbungen in die Rohrwand sollte weniger als 50 Prozent der Wanddicke oder
Dnw/Tw < 0,50
betragen.

Claims

1. Wärmeübertragungsrohr (50) mit

einer Wand (51) mit einer Längsachse (aT) und einer inneren Oberfläche;

einem Vergrößerungsmuster (31) mit

einer Vielzahl von Rippen (53), die auf der inneren Oberfläche ausgebildet sind, und

einer Vielzahl von parallelen Einkerbungen (54), die in der und sich über die Vielzahl von Rippen (53) erstreckend ausgebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche eine Schweißzone (33) umfaßt, die eine Schweißraupe (35) beinhaltet und sich auf beiden Seiten der Schweißraupe (35) nach außen erstreckt, wobei die Rippen (53) auf der inneren Oberfläche der Wand außerhalb der Schweißzone (33) ausgebildet sind, und

daß die parallelen Einkerbungen (54) auch in der inneren Oberfläche der Wand (51) sowohl innerhalb als auch außerhalb der Schweißzone (33) ausgebildet sind, die Einkerbungen sich jedoch nicht durch die Schweißraupe (35) erstrecken.

2. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) zwischen den Rippen (53) und der Längsachse (aT) zwischen Null und 35 Grad beträgt.

3. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (β) zwischen den Einkerbungen (54) und der Längsachse (aT) zwischen 15 und 90 Grad beträgt.

4. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (50) einen Innendurchmesser (Di) und eine Rippenhöhe (Hr) hat und das Verhältnis (Hi/Di) der Rippenhöhe zu dem Innendurchmesser des Rohres (50) zwischen 0,010 und 0,050 beträgt.