DE69526907T2

DE69526907T2 - Wärmeaustauschrohr

Info

Publication number: DE69526907T2
Application number: DE69526907T
Authority: DE
Inventors: Robert H.L. Chiang; Daniel Gaffaney; Neelkanth S. Gupte; Xin Liu; Steven J. Spencer
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1994-11-17
Filing date: 1995-11-09
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2015-11-10
Also published as: BR9505200A; EP0713073A2; US6167950B1; JPH08219675A; ES2176304T3; CA2161296A1; KR0173018B1; DK0713073T3; KR960018507A; CN1147624A; EP0713073B1; JP2642916B2; DE69526907D1; CA2161296C; EP0713073A3; CN1090751C

Description

Die gegenwärtige Erfindung betrifft eine Wärmeleitröhre gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Wärmeleitröhre ist bekannt aus JP-A-60/140 894 und kann in Röhrenwärmeaustauschern und in Anwendungen wie Kondensoren für Klimaanlagesysteme verwendet werden.
Ein Röhrenwärmeaustauscher weist eine Vielzahl an Röhren innerhalb einer Ummantelung auf. In der Regel sind diese Röhren derart angebracht, dass sie eine Vielzahl an parallelen Flusspfaden für eine von zwei Flüssigkeiten, zwischen denen Wärme ausgetauscht werden soll, bereitstellen. Die Röhren sind in einer zweiten Flüssigkeit eingebettet, die durch die Ummantelung des Wärmeaustauschers fließt. Wärme fließt von der einen Flüssigkeit zu der anderen Flüssigkeit durch die Wände der Röhre. In einer typischen Ausführungsform, einem Klimaanlagesystem, fließt eine Kühlflüssigkeit, normaler Weise Wasser, durch die Röhren des Kondensors. Kühlmittel fließt durch die Kondensorummantelung, einfließend als Gas und ausfließend als Flüssigkeit. Die Wärmeleitcharakteristika der einzelnen Röhren bestimmen die Gesamtwärmeleitfähigkeit eines derartigen Wärmeaustauschers in hohem Maße.
Es gibt eine Vielzahl an allgemein bekannten Verfahren zur Erhöhung der Wärmeleitung in einer Wärmeleitröhre. Eines besteht darin, die Wärmeleitfläche der Röhre zu vergrößern. In einer Kondensoranwendung wird die Wärmeleitfähigkeit vergrößert, indem die Fläche der Röhrenoberfläche, die in Kontakt mit der Flüssigkeit steht, maximiert wird.
Eines der meistverbreitetsten angewandten Verfahren zur Vergrößerung der Wärmeleitfläche einer Wärmeaustauscherröhre besteht darin, Rippen auf der äußeren Oberfläche der Röhre anzubringen. Rippen können separat hergestellt werden und an der äußeren Oberfläche der Röhre angebracht werden oder die Wand der Röhre kann durch einen Prozess zur Ausbildung von Rippen auf der äußeren Oberfläche der Röhre bearbeitet werden.
Neben der erhöhten Wärmeleitfläche bietet eine mit Rippen versehene Röhre eine verbesserte Kondensationswärmeleitleistung verglichen mit einer Röhre, die aus anderem Grund eine glatte äußere Oberfläche aufweist. Das kondensierende Kühlmittel bildet einen kontinuierlichen Film aus flüssigem Kühlmittel auf der äußeren Oberfläche einer glatten Röhre aus. Die Gegenwart des Films reduziert die Wärmeleitrate entlang der Röhrenwand. Widerstand gegen Wärmeleitung entlang des Films steigt mit der Filmdicke an. Die Filmdicke auf den Rippen ist im Allgemeinen aufgrund von Oberflächenspannungseffekten niedriger als auf dem Hauptteil der Röhrenoberfläche, so dass der Wärmeleitwiderstand durch die Rippen verringert wird.
Es ist jedoch möglich, die Wärmeleitleistung einer Wärmeleitröhre verglichen mit einer Röhre, die eine einfache Rippenanreicherung aufweist, noch weiter zu verbessern. Eine derartige Röhre wird in US-A-5,203,404, vom 20. April 1993 von Chiang, et al. beschrieben (die '404 Röhre), von dem auch die gegenwärtige Erfindung stammt.
JP-A-60/149 894 betrifft eine Wärmeleitröhre mit einer Röhrenwand mit einer äußeren Oberfläche, mit mindestens einem mit Rippen versehenen Schraubengang, der durch die Interaktion einer rippenbildenden Scheibe und einem Dorn ausgebildet wird und sich von der äußeren Oberfläche ausdehnt, mit Kerben, ausgebildet durch ein kerbenbildendes Rad, die sich radial in den mit Rippen versehenen Schraubengang mit Intervallen um den Umfang der Röhre ausdehnen, und die den mit Rippen versehenen Schraubengang in einen nächstgelegenen Teil und in einen Dornteil aufteilen, wobei jede der Kerben eine Basisachse, die bezüglich der longitudinalen Achse der Röhre einen schiefen Winkel aufweist, und eine ferne Spitzte aufweist.
Die Wärmeleitröhre der gegenwärtigen Erfindung wird in Anspruch 1 definiert.
Die gegenwärtige Erfindung betrifft eine Wärmeleitröhre mit einem oder mehreren mit Rippen versehenen Schraubengängen, die auf ihrer äußeren Oberfläche ausgebildet sind. Kerben dehnen sich unter einem schiefen Winkel entlang der mit Rippen versehenen Schraubengänge mit Intervallen um den Umfang der Röhre aus.
Die Kerben in den Rippen erhöhen, verglichen mit einer konventionell mit Rippen versehenen Röhre, die Fläche der äußeren Oberfläche der Röhre weiter. Des Weiteren erleichtert die Anordnung der mit Rippen versehenen Oberfläche zwischen den Kerben die Ableitung von Kühlmittel von der Rippe. In den meisten Anwendungen laufen die Röhren in einem Kondensor einer Röhrenklimaanlage horizontal oder annähernd horizontal. Bei horizontalen Röhren erleichtert die gekerbte Rippenanordnung die Ableitung kondensierenden Kühlmittels von den Rippen in die Rillen zwischen den Rippen auf dem oberen Teil der Röhrenoberfläche und erleichtert des Weiteren die Ableitung von kondensiertem Kühlmittel weg von der Röhre auf den unteren Teil der Röhrenoberfläche.
Die Dichte der Kerben in den mit Rippen versehenen Schraubengängen auf der Röhre der gegenwärtigen Erfindung ist verglichen mit denselben Parametern bei einer Röhre nach dem Stand der Technik, wie die '404 Röhre, relativ groß. Daher ist die externe Fläche der Oberfläche noch größer. Des Weiteren resultiert die erhöhte Anzahl an Kerben pro Schraubengangumlauf in einer Rippenoberfläche, die dornartig ausgebildet ist oder "schärfer" als bei Röhren nach dem Stand der Technik, wie die '404 Röhre, eine Anordnung, die die Ableitung von kondensiertem Kühlmittel von der Röhre noch mehr erleichtert.
Die Herstellung einer mit Kerben versehenen Rippenröhre kann leicht und ökonomisch erfolgen, indem eine zusätzliche kerbenbildende Scheibe zum Werkzeugsatz einer rippenbildenden Maschine, die Rippen auf der äußeren Oberfläche einer Röhre ausbildet, indem die Röhrenwand zwischen einem internen Dorn und externen rippenbildenden Scheiben gerollt wird, hinzugefügt wird.
Die beigefügten Zeichnungen bildet einen Teil der Spezifikation. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt eine bildliche Ansicht einer Röhre mit einem externen mit Rippen versehenen Schraubengang.
Fig. 2 zeigt, wie die Röhre hergestellt wird.
Fig. 3 zeigt einen Teil der externen Oberfläche der Röhre der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 4 zeigt einen Teil eines einzelnen mit Rippen versehenen Schraubengangs der Röhre der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 5 zeigt freie Teilaufrisse eines einzelnen mit Rippen versehenen Schraubengangs der Röhre der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 5A, 5B, 5C und 5D zeigen Teilaufrisse entlang Linien 5A-5A, 5B-5B, 5C-5C und 5D-5D in Fig. 4 eines einzelnen mit Rippen versehenen Schraubengangs der Röhre der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine bildliche Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Wärmeleitröhre 10 gemäß der gegenwärtigen Erfindung. Röhre 10 umfasst Röhrenwand 11, innere Oberfläche 12 der Röhre und äußere Oberfläche 13. Aus der äußeren Oberfläche der Röhrenwand 11 weiten sich externe Rippen 22 aus. Röhre 10 weist einen äußeren Durchmesser D&sub0; auf, der die Rippen 22 mit umfasst.
Die Röhre der gegenwärtigen Erfindung kann durch einen Rollprozess hergestellt werden. Fig. 2 zeigt einen solchen Prozess. In Fig. 2 bearbeitet eine rippenbildende Maschine 60 Röhre 10, die aus schmiedbarem Material wie Kupfer besteht, so dass sowohl interne Rippen als auch externe Rippen auf der Röhre entstehen. Die rippenbildende Maschine 60 weist eine oder mehrere Werkzeugwellen 61 auf, die jede einen Werkzeugsatz 62, bestehend aus einer Anzahl an rippenbildenden Scheiben 63 und einem kerbenbildenen Rad 66, umfassen.
Dornschaft 65, an den Dorn 64 angebracht ist, weitet sich in die Röhre hinein aus. Wand 11 wird während Röhre 10 rotiert zwischen Dorn 65 und rippenbildende Scheiben 63 gepresst. Unter Druck fließt Metall in die Rillen zwischen den rippenbildenden Scheiben und bildet eine Furche oder Rippe auf der äußeren Oberfläche der Röhre aus. Während sie rotiert bewegt sich Röhre 10 zwischen Dorn 64 und Werkzeugsatz 62 vorwärts (von links nach rechts in Fig. 2), so dass sich eine Anzahl schraubenförmiger mit Rippen versehenen Schraubengänge auf der Röhre ausbildet, wobei ihre Anzahl eine Funktion der Anzahl an rippenbildenden Scheiben 63 im Werkzeugsatz 62 und der Anzahl an Werkzeugwellen 61, die in der rippenbildenden Maschine 60 verwendet werden, ist. Im selben Durchlauf und gleich nachdem der Werkzeugsatz 62 Rippen auf Röhre 10 ausbildet, prägt kerbenbildendes Rad 66 schiefe Kerben in das Metall der Rippen ein.
Dorn 64 kann derart angeordnet werden, dass er, wie in Fig. 2 gezeigt, ein Muster in die innere Oberfläche der Wand der Röhre, die über sich über ihn hinwegbewegt, einprägt. Ein typische Muster ist das eines oder mehrerer schiefer mit Rippen versehener Schraubengänge. Ein derartiges Muster kann die Effizienz der Wärmeleitung zwischen der Flüssigkeit, die durch die Röhre und durch die Röhrenwand fließt, verbessern.
Fig. 3 zeigt einen Teil der externen Oberfläche der Röhre. Eine Anzahl an mit Rippen versehenen Schraubengänge 20 dehnt sich von der äußeren Oberfläche 13 der Röhre 10 aus. Schief zu jedem mit Rippen versehenen Schraubengang dehnen sich intervallweise Muster von Kerben 30 aus. Zwischen jedem Paar benachbarter Kerben in einem bestimmten mit Rippen versehenen Schraubengang ist ein Rippendorn (22) mit einer fernen Spitze 23 angebracht. Die Ganghöhe der Rippen oder die Distanz zwischen benachbarten mit Rippen versehenen Schraubengängen beträgt Pf.
Fig. 4 zeigt einen Teil eines einzelnen mit Rippen versehenen Schraubengangs der Röhre der gegenwärtigen Erfindung. Der Steigungswinkel der Kerbenbasis 31 von der longitudinalen Achse der Röhre AT ist Winkel α. Der Steigungswinkel der fernen Spitze 22 der Rippe von der longitudinalen Achse der Röhre AT ist Winkel β. Aufgrund der Interaktion zwischen rotierender und sich annähernder Röhre 10 und kerbenbildendem Rad 66 während der Herstellung der Röhre (siehe Fig. 2), wird die Achse von Dorn 22 leicht vom Winkel zwischen den Zähnen des kerbenbildenden Rads und dem mit Rippen versehenen Schraubengang gedreht, so dass der Winkel der Spitzenachse β schief ist bezüglich Winkel α, d. h. β ≠ α.
Fig. 5 zeigt einen Pseudo-Teilaufriss eines einzelnen mit Rippen versehenen Schraubengangs der Röhre der gegenwärtigen Erfindung. Wir verwenden den Terminus pseudo, da es unwahrscheinlich ist, dass ein Schnitt durch irgendeinen Teil des mit Rippen versehenen Schraubengangs genau gleich aussieht, wie der Schnitt, der in Fig. 5 dargestellt ist. Die Figur dient allerdings dazu, viele der Eigenschaften der Röhre zu veranschaulichen. Der mit Rippen versehene Schraubengang 20 dehnt sich auswärts von der Röhrenwand 11 aus. Der mit Rippen versehene Schraubengang 20 weist einen nächstgelegenen Teil 21 und einen Dorn 22 auf. Durch die Rippe läuft eine Kerbe mit Kerbenbasis 32, wie der Pseudo- Schnitt zeigt. Die Gesamthöhe des mit Rippen versehenen Schraubengangs 20 ist Hf. Die Breite des nächstgelegenen Teils 21 ist Wr und die Breite des Dorns 22 an seiner breitesten Stelle ist Wt. Die äußere Fortsetzung von Dorn 22 ist ferne Spitze 23. Die Distanz, die die Kerbe in den mit Rippen versehenen Schraubengang eindringt, oder Kerbentiefe ist D". Kerbenbildendes Rad 66 (Fig. 2) schneidet keine Kerben aus den mit Rippen versehenen Schraubengängen während des Herstellungsprozess sondern prägt Kerben in die mit Rippen versehenen Schraubengänge ein. Das überschüssige Material von dem eingekerbten Teil des mit Rippen versehenen Schraubengangs bewegt sich in den Bereich zwischen benachbarten Kerben und auswärts von den Seiten des mit Rippen versehenen Schraubengangs als auch zur Röhrenwand 11 auf den Seiten des mit Rippen versehenen Schraubengangs. Als Resultat ist Wt größer als Wr.
Fig. 5A, 5B, 5C und 5D zeigen Teilaufrisse entlang Linien 5A-5A, 5B-5B, 5C-5C und 5D-5D in Fig. 4 eines mit Rippen versehenen Schraubengangs 20. Die Darstellungen zeigen die Anordnung des gekerbten mit Rippen versehenen Schraubengangs 20 an verschiedenen Stellen genauer als die Pseudo-Darstellung der Fig. 5. Die Eigenschaften des gekerbten mit Rippen versehenen Schraubengangs, die oben unter Bezugnahme auf Fig. 5 erörtert wurden, treffen gleichermaßen auf Fig. 5A, 5B, 5C und 5D zu.
Wir haben eine Prototypröhre, die nach der Lehre der gegenwärtigen Erfindung hergestellt wurde, getestet. Diese Röhre weist einen nominellen Außendurchmesser (D&sub0;) von 19 Millimetern (3/4 Inch), eine Rippenhöhe von 0,65 Millimeter (0,0257 Inch), eine Rippendichte von 22 mit Rippen versehenen Schraubengängen pro Zentimeter (56 mit Rippen versehenen Schraubengänge pro Inch) Röhrenlänge, 122 Kerben pro Umfang des mit Rippen versehenen Schraubengangs auf, die Achse der Kerben weist einen Steigungswinkel (α) von der longitudinalen Achse der Röhre (AT) von 45 Grad und eine Kerbentiefe von 0,20 Millimeter (0,008 Inch) auf. Die getestete Röhre weist drei mit Rippen versehene Schraubengänge auf, oder, wie der Fachmann sagt, drei "Starts". Testdaten zeigen, dass die Röhre eine 20 mal effizientere Wärmeleitung Kühlmittel-zu-Röhrenwand aufweist als eine konventionelle Röhre mit glatter äußerer Oberfläche.
Extrapolationen von Testdaten zeigen an, dass die externe Oberflächenkonfiguration der Röhre der gegenwärtigen Erfindung für die Anwendung in Röhren mit nominellen Außendurchmessern von 12,5 Millimetern (1/2 Inch) bis 25 Millimetern (1 Inch) brauchbar ist, wobei:
a) es gibt 13 bis 28 mit Rippen versehenen Schraubengängen pro Zentimeter (33 bis 70 mit Rippen versehenen Schraubengänge pro Inch) Röhrenlänge, d. h. die Ganghöhe beträgt 0,36 bis 0,84 Millimeter (0,014 bis 0,033 Inch), oder
0,036 mm ≤ Pf ≤ 0,84 mm (0,014 Inch Pf 0,033 Inch)
b) das Verhältnis von Rippenhöhe zu Außendurchmesser der Röhre liegt zwischen 0,02 und 0,04, oder
0,020 ≤ Hf / D&sub0; ≤ 0,055;
c) die Dichte der Kerben in dem mit Rippen versehenen Schraubengang beträgt 17 bis 32 Kerben pro Zentimeter (42 bis 81 Kerben pro Inch);
d) der Winkel zwischen der Kerbenachse und der longitudinalen Achse der Röhre liegt zwischen 40 und 70 Grad, oder
40º ≤ α ≤ 70º und
e) die Kerbentiefe liegt zwischen 0,2 und 0,8 der Rippenhöhe oder
0,2 ≤ Dn/Hf ≤ 0,8.
Die optimale Anzahl an mit Rippen versehenen Schraubengängen oder Rippen "Starts" hängt mehr von der Leichtigkeit der Herstellung ab als vom Einfluss der Anzahl auf die Wärmeleitleistung. Eine große Anzahl an Starts erhöht die Rate, mit der die mit Rippen versehenen Schraubengänge auf der Röhrenoberfläche erzeugt werden können, aber erhöht die Beanspruchung der rippenbildenden Werkzeuge.

Claims

1. Eine Wärmeleitröhre (10), umfassend:

eine Röhrenwand (11), die eine äußere Oberfläche (13) aufweist;

mindestens einen mit Rippen versehenen Schraubengang (20), der schraubenförmig um die Röhre angeordnet ist und sich von der äußeren Oberfläche ausdehnt;

Kerben (30), die sich radial in den mit Rippen versehenen Schraubengang mit Intervallen um den Umfang der Röhre ausdehnen;

jede der Kerben weist eine Basisachse auf, die bezüglich der longitudinalen Achse (αT) der Röhre einen schiefen Winkel (α) zwischen 40 und 70 Grad aufweist;

die Kerben unterteilen den mit Rippen versehenen Schraubengang in einen nächstgelegenen Teil (21), der eine maximale Breite (Wr) aufweist, und in einen Dornteil (22), der eine einzelne ferne Spitze (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Dornteil zwischen einem Paar benachbarten Kerben angeordnet ist und eine maximale Breite (Wt) aufweist, die größer ist als die maximale Breite (Wr) des nächstgelegenen Teils, und eine Achse (β) der fernen Spitze aufweist, die schief ist bezüglich der Basisachse der Kerbe.

2. Eine Wärmeleitröhre (10) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst:

ein verlängertes Röhrenelement, das einen äußeren Durchmesser (D&sub0;) aufweist; den mit Rippen versehenen Schraubengang (20), der schraubenförmig um die Röhre angeordnet ist, wobei die Dichte der Rippen um die Röhre 13 bis 28 mit Rippen versehenen Schraubengänge pro Zentimeter (33 bis 70 mit Rippen versehenen Schraubengänge pro Inch) der Röhre beträgt, die externe Rippe eine Höhe (Hf) aufweist, wobei das Verhältnis der Höhe der Rippe und des äußeren Durchmessers der Röhre 0,020 bis 0,05 beträgt, die Dichte der Kerben (30) in den mit Rippen versehenen Schraubengängen 17 bis 32 Kerben pro Zentimeter ((42 bis 81) Kerben pro Inch) beträgt, die Tiefe der Kerben zwischen 0,2 und 0,8 der Höhe der mit Rippen versehenen Schraubengänge beträgt.

3. Ein Verfahren zur Herstellung der Wärmeleitröhre (10) des Anspruchs 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass:

mindestens ein externer mit Rippen versehenen Schraubengang (20) durch die Interaktion einer rippenbildenden Scheibe (63) und einem Dorn (64) ausgebildet wird, der sich von der äußeren Oberfläche der Röhre ausdehnt;

die Kerben (30) durch ein kerbenbildendes Rad (66) ausgebildet werden, die sich radial in den mit Rippen versehenen Schraubengang mit Intervallen um den Umfang der Röhre ausdehnen und den mit Rippen versehenen Schraubengang in den nächstgelegenen Teil (21) aufteilen.