EP1113237A2 - Heat exchange tube structured on both sides and process for making same - Google Patents
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- EP1113237A2 EP1113237A2 EP00126816A EP00126816A EP1113237A2 EP 1113237 A2 EP1113237 A2 EP 1113237A2 EP 00126816 A EP00126816 A EP 00126816A EP 00126816 A EP00126816 A EP 00126816A EP 1113237 A2 EP1113237 A2 EP 1113237A2
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- B21C37/207—Making helical or similar guides in or on tubes without removing material, e.g. by drawing same over mandrels, by pushing same through dies ; Making tubes with angled walls, ribbed tubes and tubes with decorated walls with helical guides
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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- F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
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Definitions
- the invention relates to heat exchanger tubes with optional smooth ends, at least one on the inside and outside of the pipe structured area and optionally smooth intermediate areas, where the outer diameter of the structured Range is not larger than the outer diameter of the smooth Ends or the smooth intermediate areas.
- Heat exchanger tubes of the type mentioned are usually used in shell and tube heat exchangers (see Fig. 1, Source: TEMA, Standards of Tubular Exchanger Manufacturers Association, New York, 1968). These are heat exchangers characterized by a number of arranged in parallel Tubes 30, which are firmly connected at their ends to the tube sheets 31 are. Depending on the application conditions and length, the Pipes supported by support plates 32. These support plates 32 also serve to determine the jacket-side fluid flow in certain Directing directions. In the pipes 30 e.g. Water or a mixture of water and glycol, the pipe side flowing medium is heated or cooled.
- the pipes 30 e.g. Water or a mixture of water and glycol
- FIG. 2 is a schematic of a structured heat exchanger tube 30 shown. It has several structured areas 2, which by smooth, unstructured ends 1a and smooth, unstructured intermediate pieces 1b are limited. On the smooth The tube 30 is usually ended 1a by a rolling process firmly connected to the tube sheets 31. On the smooth Intermediate pieces 1b, the tube 30 is in the holes of the Support plates 32 on.
- the outer diameter of the structured Areas 2 not larger than the outer diameter smooth areas 1a and 1b.
- the Inner diameter of the tube 30 in the structured area 2 be as large as possible to the pressure drop of the pipe flowing To keep the medium low.
- the outer diameter in the structured area 2 almost equal to the outer diameter of the smooth tube areas la and 1b to choose.
- the tube is replaced by one in the tube supported mandrel, which absorbs the radial forces.
- Profiled mandrels are used to create an internal structure used with helical grooves (DE 23 03 172 C2). Since the internal structure of the tube due to the profile shape of the mandrel is determined, it can be largely independent of the geometry the outer ribs are formed. So that's it possible external and internal structure independently of each other Optimally adapt application.
- the thorn must be with a certain speed rotate to get out of the inner structure unscrew it yourself. This creates high Frictional forces between mandrel and tube caused by the rolling disks must be applied to feed the pipe to cause in the axial direction. A significant proportion of these Frictional forces are directed parallel to the tube axis 33 and thus almost parallel to the axis of the rolling disks.
- Finer fin pitches require thinner rollers, what with constant alternating bending load, an increased risk of breakage as well as greater susceptibility to wear of the tool brings itself. Tool life is becoming increasingly critical, and frequent production interruptions due to tool changes are the consequence. Furthermore, the production speed increases of rolling machines with decreasing fin pitch from. At the same time, due to the worldwide Competitive to a crucial production cost Factor for economic success in the manufacture of structured pipes.
- the invention is therefore based on the object of a finely structured To manufacture pipe that is both on the outside and also has a large surface increase on the inside and has a low structural weight.
- the Geometries of external and internal structure should be independent of be adaptable to each other.
- the pipe must be moving at high speed, with simple tools and low tool wear can be produced. Smooth ends and spacers should be able to be produced without additional effort.
- the task is inventively structured by bilateral Heat exchanger tubes loosened, the recesses on the outside and have ribs on the inside according to a first embodiment through a heat exchanger tube with the features of claim 1 and according to a second Embodiment by a heat exchanger tube with the features of the secondary claim 2.
- Claims 3 to 7 relate to advantageous areas for Dimensions of the depressions or an advantageous cross-sectional shape the inner ribs.
- the invention further relates to a method according to two variants according to claims 13 and 14 for the production the heat exchanger tubes according to the invention.
- the structuring tools used can be set in this way be that they are both aligned, continuous grooves also non-aligned, spaced-apart depressions produce.
- the recesses be modified so that secondary structures on the Flanks or at the bottom of the depressions or on the webs arise between the wells.
- these secondary structures the thermal performance of pipes increase considerably. This is essentially done through the Exploitation of surface tension effects.
- a one-piece, metallic heat exchanger tube 1 has smooth ends 1a and at least one structured Area 2 on the outside and inside of the pipe (a smooth end 1a and possibly smooth intermediate areas 1b not shown).
- Structure 2 consists of aligned, continuous depressions 3, the helical order the pipe 1 run.
- the beginnings 6 of the wells 3 are located on lines that oppose the skew angle ⁇ the pipe circumferential direction are inclined.
- the wells 3 were molded into the tube outside by one or more rotating roll profile tools 10 pressed into the tube wall 4 are and the material of the tube wall 4 thus displaced radially is pressed inwards. This increases the inside diameter of the tube 1.
- the continuously ongoing specializations 3 are created by successively lining up finally extended, individual wells aligned with one another, which are formed by the rolling profile tools 10.
- the outside diameter of pipe 1 must not be in structured area 2 be larger than in the smooth areas (ends 1a, intermediate areas 1b).
- the pipe 1 shown in FIG. 3 additionally has helical, trapezoidal ribs 5 on its inside to improve the heat transfer on the pipe side, which ribs 5 were also formed from the material of the pipe wall 4.
- the helix angle the ribs 5 is measured against the tube axis 33 and is usually between 10 ° and 50 °.
- the height H of the ribs 5 can be up to 0.60 mm. Larger fin heights are difficult to master from a manufacturing point of view.
- an area increase of up to 100% is achieved compared to an internally smooth tube. Regardless of the type of internal structure, an area increase of at least 20% compared to an internally smooth tube is generally required for a significant increase in the heat transfer on the tube side.
- Fig. 4 shows a detailed view of a single continuous Well 3.
- Wells 3 have one trapezoidal cross-section.
- the raw sections 20 between the wells 3 are called webs.
- the Pipe outside diameter - measured over these webs 20 - is usually almost equal to the outer diameter of the smooth Areas 1a, 1b.
- the bottom of the recess 3 can have an angular, have a round, curved or other shape. This form is by the shape of the elevations 13 of the rolling profile tool 10 determined.
- the shape can be optimized so that the forming process similar to the rolling movement of shape-optimized Gears expires.
- the flank angle ⁇ of the recess 3 is, as shown in Fig. 4, against the symmetry surface of the Well 3 measured.
- the dimensions the wells 3 should be chosen so that one possible large outer surfaces is achieved.
- the flank angle ⁇ be as small as possible, the depth T of the depressions 3 and the number of depressions 3 on the circumference should be as large as possible.
- a depth T of 0.4 mm to 1.5 mm can be reached.
- the preferred range for the flank angle ⁇ is between 7 ° and 25 °.
- the division P of the wells 3 is measured perpendicular to the symmetry surface and is preferably 0.25 mm to 2.2 mm.
- the width W of the wells 3 is measured at half depth T. The width W is 60% to 80% of the division P. Hence the volume of the wells 3 larger than the volume of the webs 20, which is a small Structural weight causes.
- FIG. 6 shows an illustration of a roll profile tool 10, which is mounted on a tool shaft 14 and for production of aligned, continuous grooves.
- the Roll profile tool 10 has a number on its circumference of regular, trapezoidal elevations 13 similar to one Gear.
- the elevations 13 run helically with one Twist angle ⁇ measured against the axis of the tool 10.
- the cylindrical part 12 of the rolling profile tool 10 has the thickness s.
- the production machines usually have three or four tool shafts 14 that like one equilateral triangle or square evenly around the pipe circumference are arranged around.
- the tool shafts 14 are oblique with respect to the tube axis 33 employed.
- the skew angle ⁇ is inherently is equal to the angle ⁇ that the lines on which the beginnings 6 of the depressions 3 lie with the circumferential direction of the tube include, as can be seen in FIG. 3.
- Pipe and roll profile tool 10 are in longitudinal section shown.
- a smooth tube 1 ' is used as an output tube through the rotating roll profile tool 10 set in rotation and corresponding to the inclination of the tool in the axial direction advanced.
- the direction of movement of the pipe in The axial direction is indicated by an arrow. If that Smooth tube 1 'into the forming zone under the roll profile tool 10 occurs, depressions 3 are formed on the outside of the tube and reduced the inside diameter.
- the material of the pipe wall 4 is pressed onto the internal, structured mandrel 15.
- the mandrel 15 is rotatably mounted to the rotation of the Pipe to adjust.
- In the structured area 2 is the remaining one Wall thickness of tube 1 (measured between the outside and Internal structure) necessarily smaller than the wall thickness of the Smooth tube 1 ', since both the inner and outer structure the wall material of the smooth tube 1 'are formed.
- each roll profile tool 10 It must be ensured that the individual depressions formed by each roll profile tool 10 are aligned with one another in order to produce continuously continuous depressions 3 by successively lining up finally expanded individual depressions. This is achieved by the inclination angle ⁇ on the pitch P of the recesses 3, the number n R of the recesses 3 on the tube circumference, the core diameter D core of the tube 1 (measured at the base of the recesses 3) and the twist angle ⁇ of the rolling profile tool 10 according to FIG following equation is matched:
- the thickness s of the cylindrical part 12 of the rolling profile tool 10 must have the following minimum dimension so that the depressions 3 continue without interruption: s ⁇ 1 m , ⁇ . D core , sin ( ⁇ ) m is the number of rolling shafts 14 arranged around the tube.
- the angle of inclination ⁇ of the recesses 3 is against the pipe axis 33 measured and is equal to the sum of the inclination angle ⁇ and the twist angle ⁇ of the rolling profile tool, as shown in Fig. 3.
- ⁇ is in the range between 0 ° and 70 °.
- Smooth intermediate areas 1b can optionally be created, by rolling profile tools .10 out of engagement with the smooth tube 1 'are brought (see, for example, DE-A 1,452,247).
- FIG. 8 schematically shows an illustration of a device according to the invention structured tube 1 with spaced apart, non-aligned recesses 7.
- the recesses 7 have the length L. It is the transition area between the smooth end la and structured area 2 shown.
- the wells 7 are arranged in separate rows that are helical run around tube 1. Such a series becomes a "track” called.
- Each roll profile tool 10 arranged around the tube 1 forms its own track. To maximize the surface gain, adjacent tracks should be arranged as closely as possible his.
- the spaced-apart depressions 7 shown in FIG. 8 are formed by using a roll profile tool 10 without a conical part 11.
- the roll profile tool 10 consists only of a cylindrical part 12 of thickness s.
- the inclination angle ⁇ In order to prevent the traces of the individual rolling profile tools 10 from overlapping, the inclination angle ⁇ must be selected appropriately: where m is the number of tool shafts 14 arranged around the tube 1 and D core is the core diameter of the tube 1. If the inclination angle ⁇ is limited upwards for design reasons, the maximum thickness of the rolling profile tool 10 is determined by the following equation: s ⁇ 1 m , ⁇ . D core , sin ( ⁇ )
- FIG. 9 shows an enlarged view of the spaced non-aligned recesses 7 of Fig. 8.
- Adjacent Wells 7 of a track are separated by webs 20.
- On thin tube section 21 remains between adjacent tracks undeformed.
- Via the undeformed sections 21 and webs 20 measured tube 1 has almost the same outside diameter like the smooth areas 1a, 1b.
- the wells 7 have a substantially trapezoidal cross-section. The reason the recess 7 can be an angular, round, curved or a have another form. This shape is determined by the shape of the Elevations 13 of the rolling profile tool 10 are determined.
- the sectional view of the spaced depressions 7 is with the Sectional view of the aligned, continuous depressions 3, which is shown in Fig. 5, identical.
- For the geometric Dimensions of the recesses 7 apply in the case of the spaced Wells 7 the same as in the case of the aligned, continuous deepening 3.
- the Relationships that were mentioned in connection with FIG. 5. This results in similarly favorable properties in both cases of the tube 1 in terms of surface gain and structural weight.
- the transmission power of the heat exchanger tube according to the invention 1 can be further increased by applying surface tension effects exploits. It is known that at Condenser tubes for convex edges to thin the Condensate film. The density of the convex edges will by secondary grooves 8, which are essentially transverse to the Primarily shaped depressions 3, 7 are impressed, considerably elevated. A structure modified in this way is shown in FIG. 10 shown enlarged. That by impressing the secondary Grooves 8 displaced material of the web 20 forms projections 22, which are substantially transverse to the primary shaped depressions 3, 7 are arranged. The edges 23 of these projections 22 represent part of the desired, additional convex Edges. The tool structure belonging to the structure of FIG. 10 is shown in Fig.
- the secondary notch disk 16 has on its circumference a number of regular surveys 17 similar to one Gear.
- the elevations 17 run helically with one Swirl angle ⁇ 'measured against the axis of the notched disk 16.
- the depth E of the secondary grooves 8 should be 20% to 80% of that Depth T of the primary depressions 3, 7 are accordingly the diameter of the notched disk 16 should be chosen smaller than the diameter of the roll profile tool 10.
- the angle ⁇ that the include primary depressions 3, 7 with secondary grooves 8, is determined by the swirl angle ⁇ of the elevations 12 of the Roll profile tool 10 and the helix angle ⁇ 'of the surveys 17 of the washer 16 set.
- ⁇ can be between 20 ° and 160 ° be.
- the main forming step in which - as shown in Fig. 7 - primary outer structure and the inner structure at the same time are formed by a relatively coarse rolling profile tool 10 can be executed.
- the secondary structure usually is much finer than the primary one will not look the tube wall 4 shaped, but only from the webs 20. This means that the amount of in the fine structuring step material to be formed is much less than with conventional Manufacturing process using fine ribs with fine tools molded directly from the massive pipe wall become. This has a beneficial effect on the service life of the tool out.
- Undercut caverns or tunnels are invented by partially closing the upper area of the wells 3, 7 generated. The ones lying under the outer surface Cavities are then through openings or pores with the surrounding fluid connected.
- Fig. 12 shows a detail in an enlarged view a structured tube 1, in which the ends 9 of adjacent, with secondary grooves 8 provided webs 20 smoothed were.
- the smoothed ends 9 form a part closed lid over the recess 3. This way becomes a system of under the outer pipe surface Cavities that communicate with the environment through narrow openings 24 are connected. It is beneficial for the secondary Grooves 8 to use a finer pitch than for the primary wells.
- Fig. 13 shows a tool structure for Manufacture of such structures.
- a cylindrical smoothing disc 18 constant diameter is on the tool shaft 14 arranged behind the notched disk 16. The diameter of the Smoothing disc 18 is smaller than the diameter of the rolling profile tool 10th
- Closing the depressions 3, 7 causes a reduction of the outer pipe diameter.
- this can be controlled are controlled by the primary structuring step is that not all material displaced on the outside of the pipe on the inside of the tube to form the internal structure may be needed.
- a roll profile tool is used 10 with large displacement and a profiled mandrel 15 used with narrow grooves.
- the diameter suitable for the mandrel are then in the radial direction to the outside shaped out what compared to the smooth tube 1 'in the meantime a larger pipe diameter in this pipe area results.
- the secondary grooves 8 are formed and the resulting ends 9 of the webs 20 are smoothed, to partially close the recesses 3, 7.
- Will the Process parameters can be selected as shown, then the final outside diameter in the structured area 2 less than or equal to the outside diameter of the unprocessed, smooth ends 1a.
- copper tubes 1 with a core diameter D core of 17.80 mm were produced on both sides.
- the outer structure consists of 36 aligned, continuous recesses 3.
- the roll profile tool 10 was based on the following geometric data: Flank angle ⁇ 10 ° Swirl angle ⁇ 57 ° P division 0.67 mm Width W 0.40 mm
- the inclination angle ⁇ of the rolling shafts 14 had to be set to 7.5 °.
- the pitch angle ⁇ of the grooves is 64.5 °.
- the depth T of the depressions 3 is 0.7 mm.
- the inner structure consists of 41 trapezoidal ribs 5, which are at an angle from 45 ° helical.
- the height H of the inner ribs 5 is 0.35 mm.
- the secondary grooves 8 were produced with a package of roller disks with a pitch of 0.35 mm.
- the tube structure produced in this way shows good heat transfer properties when the refrigerant R-134a is liquefied on the outside and cooling water flow on the inside of the tube.
- the pitch K of the secondary grooves 8 should be between 0.25 mm and 2.2 mm.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft Wärmeaustauscherrohre mit wahlweise glatten Enden, mindestens einem auf der Rohraußen- und Rohrinnenseite strukturierten Bereich und wahlweise glatten Zwischenbereichen, wobei der Außendurchmesser des strukturierten Bereichs nicht größer ist als der Außendurchmesser der glatten Enden bzw. der glatten Zwischenbereiche.The invention relates to heat exchanger tubes with optional smooth ends, at least one on the inside and outside of the pipe structured area and optionally smooth intermediate areas, where the outer diameter of the structured Range is not larger than the outer diameter of the smooth Ends or the smooth intermediate areas.
Dieser Typ von Rohren wird üblicherweise als "beidseitig strukturierte Rohre" bezeichnet.This type of pipe is commonly called "bilateral structured pipes ".
Wärmeaustauscherrohre der genannten Art werden üblicherweise
in Rohrbündelwärmeaustauschern eingesetzt (siehe Fig. 1,
Quelle: TEMA, Standards of Tubular Exchanger Manufacturers
Association, New York, 1968). Diese Wärmeaustauscher sind
charakterisiert durch eine Anzahl von parallel angeordneten
Rohren 30, die an ihren Enden fest mit den Rohrböden 31 verbunden
sind. Je nach Einsatzbedingung und Länge werden die
Rohre mittels Stützblechen 32 abgestützt. Diese Stützbleche 32
dienen auch dazu, den mantelseitigen Fluidstrom in bestimmten
Richtungen zu lenken. In den Rohren 30 strömt z.B. Wasser oder
eine Mischung aus Wasser und Glykol, wobei das rohrseitig
strömende Medium erhitzt oder abgekühlt wird.Heat exchanger tubes of the type mentioned are usually
used in shell and tube heat exchangers (see Fig. 1,
Source: TEMA, Standards of Tubular Exchanger Manufacturers
Association, New York, 1968). These are heat exchangers
characterized by a number of arranged in
Um die Wärmeübertragungsleistung derartiger Wärmeaustauscher
zu steigern, werden berippte oder strukturierte Rohre anstelle
von glatten eingesetzt. Hierbei ist beabsichtigt, die für die
Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche zu vergrößern
und ferner Effekte der Oberflächenspannung auszunutzen. In
Fig. 2 ist schematisch ein strukturiertes Wärmeaustauscherrohr
30 dargestellt. Es besitzt mehrere strukturierte Bereiche
2, die durch glatte, unstrukturierte Enden 1a und glatte,
unstrukturierte Zwischenstücke 1b begrenzt sind. An den glatten
Enden 1a wird das Rohr 30 üblicherweise durch einen Einwalzvorgang
fest mit den Rohrböden 31 verbunden. An den glatten
Zwischenstücken 1b liegt das Rohr 30 in den Bohrungen der
Stützbleche 32 auf. Damit das Rohr in die Rohrböden 31 und
Stützbleche 32 eingeschoben und mit den Rohrböden 31 dicht
verbunden werden kann bzw. in den Bohrungen der Stützbleche 32
nicht zuviel Spiel hat, darf der äußere Durchmesser der strukturierten
Bereiche 2 nicht größer als der äußere Durchmesser
der glatten Bereiche 1a und 1b sein. Andererseits sollte der
Innendurchmesser des Rohrs 30 im strukturierten Bereich 2
möglichst groß sein, um den Druckabfall des rohrseitig strömenden
Mediums gering zu halten. Bei gegebenem Strukturtyp
stehen Außen- und Innendurchmesser des Rohres 30 im strukturierten
Bereich 2 zueinander in Relation, so daß auch der
Außendurchmesser des Rohres 30 im strukturierten Bereich 2
möglichst groß gewählt werden sollte. Folglich ist es zweckmäßig,
den Außendurchmesser im strukturierten Bereich 2 nahezu
gleich dem Außendurchmesser der glatten Rohrbereiche la und 1b
zu wählen.The heat transfer performance of such heat exchangers
ribbed or textured pipes are used instead
used by smooth. It is intended that for
Heat transfer to increase available area
and also to exploit surface tension effects. In
Fig. 2 is a schematic of a structured
Um die Materialkosten derartiger Rohre zu senken, muß bei gegebenem Rohrdurchmesser das Metergewicht (= Rohrgewicht pro Längeneinheit) der Rohre reduziert werden. Da die Mindestwanddicke durch Sicherheitsanforderungen limitiert ist, kann eine Reduzierung des Metergewichts nur durch eine Reduzierung des Gewichts der Struktur erreicht werden. Ein Vergrößern der Wärmeübertragungsfläche durch Strukturierung bei gleichzeitiger Minimierung des Strukturgewichts erfordert eine sehr feine, filigrane Struktur. To reduce the material costs of such pipes, must given pipe diameter the meter weight (= pipe weight per Unit of length) of the pipes can be reduced. Because the minimum wall thickness is limited by security requirements, a Reduction of the meter weight only by reducing the Weight of the structure can be achieved. Enlarging the Heat transfer surface by structuring at the same time Minimizing the structural weight requires a great deal fine, filigree structure.
Die Verwendung von beidseitig strukturierten Rohren ist Stand der Technik in einigen Teilen der Industrie (z.B. bei Kaltwassersätzen). Viele dieser Rohre basieren auf Rippenrohren, wobei die Rippenspitzen durch Kerben und Einglätten modifiziert wurden. Üblicherweise werden derartige Rohre mit einem Walzvorgang hergestellt: Walzscheiben mit bestimmter Profilform werden mit ansteigendem Durchmesser auf einer oder mehreren Werkzeugwellen aufgebaut. Diese Werkzeugwellen werden gleichmäßig um den Umfang des zu bearbeitenden Rohres herum angeordnet. Werden die schräg angestellten, rotierenden Walzwellen auf das glatte Rohr zugestellt, dann dringen die rotierenden Walzscheiben in die Rohrwand ein, versetzen das Rohr in Rotation, schieben es entsprechend ihrer Schrägstellung in Axialrichtung vor und formen schraubenlinienartige Rippen aus der Rohrwand heraus. Dieser Vorgang ist einem Gewindewalzvorgang ähnlich. Beispiele für diese Technologie sind in US-2 868 046, US-3 327 512, US-3 383 893, US-3 481 394 dargestellt.The use of pipes structured on both sides is state of the art technology in some parts of industry (e.g. chillers). Many of these tubes are based on finned tubes, the rib tips modified by notching and smoothing were. Such pipes are usually with a Rolling process produced: rolling disks with a certain profile shape are increasing in diameter on one or more Tool shafts built up. These tool shafts will be evenly around the circumference of the pipe to be machined arranged. The obliquely positioned, rotating roller shafts advanced to the smooth tube, then the rotating penetrate Rolling disks into the pipe wall, put the pipe in Rotation, push it in according to its inclination Axial direction and form helical ribs the pipe wall out. This process is a thread rolling process similar. Examples of this technology are in U.S. 2,868,046, U.S. 3,327,512, U.S. 3,383,893, U.S. 3,481,394.
Während des Walzvorganges wird das Rohr durch einen im Rohr
liegenden Dorn abgestützt, der die radialen Kräfte aufnimmt.
Zur Erzeugung einer inneren Struktur werden profilierte Dorne
mit helixartigen Nuten verwendet (DE 23 03 172 C2). Da die
innere Struktur des Rohres durch die Profilform des Dorns
bestimmt wird, kann sie weitgehend unabhängig von der Geometrie
der äußeren Berippung ausgebildet werden. Damit ist es
möglich, Außen- und Innenstruktur unabhängig von einander dem
Anwendungszweck optimal anzupassen. Der Dorn muß mit einer
bestimmten Geschwindigkeit rotieren, um sich aus der Innenstruktur
selbst wieder herauszuschrauben. Dies erzeugt hohe
Reibungskräfte zwischen Dorn und Rohr, die durch die Walzscheiben
aufgebracht werden müssen, um den Vorschub des Rohres
in Axialrichtung zu bewirken. Ein erheblicher Anteil dieser
Reibungskräfte ist parallel zur Rohrachse 33 gerichtet und
damit auch nahezu parallel zur Achse der Walzscheiben. During the rolling process, the tube is replaced by one in the tube
supported mandrel, which absorbs the radial forces.
Profiled mandrels are used to create an internal structure
used with helical grooves (
Es ist bekannt, daß es für bestimmte Anwendungen (z.B. Kältemittelverdampfer und -verflüssiger) vorteilhaft ist, Strukturen mit kleinen Rippenteilungen zu verwenden, um eine Steigerung der Wärmeübertragungsleistung zu erreichen. In der Vergangenheit wurden Rippenteilungen von 1,35 mm (19 Rippen pro Zoll) verwendet. Heutzutage sind Rippenrohre mit Rippenteilungen von ungefähr 0,40 mm kommerziell erhältlich (US-5 697 430 und DE-197 57 526). EP-0 701 100 A1 zeigt auf, daß der Trend sogar zu noch feineren Teilungen (0,25 mm) geht.It is known that for certain applications (e.g. refrigerant evaporators and liquefier) is advantageous, structures to use with small rib pitches to increase to achieve the heat transfer performance. In the past rib pitches of 1.35 mm (19 ribs per Inches) used. Nowadays there are finned tubes with fin divisions of approximately 0.40 mm commercially available (US-5 697 430 and DE-197 57 526). EP-0 701 100 A1 shows that the trend is towards even finer pitches (0.25 mm).
Feinere Rippenteilungen erfordern dünnere Walzscheiben, was bei gleichbleibender Biegewechselbelastung eine erhöhte Bruchgefahr sowie größere Verschleißanfälligkeit des Werkzeugs mit sich bringt. Die Werkzeugstandzeiten werden damit immer kritischer, und häufige Produktionsunterbrechungen wegen Werkzeugwechsel sind die Folge. Ferner nimmt die Produktionsgeschwindigkeit der Walzmaschinen mit kleiner werdender Rippenteilung ab. Gleichzeitig werden aufgrund des weltweiten Wettbewerbs die Produktionskosten zu einem entscheidenden Faktor für den wirtschaftlichen Erfolg bei der Herstellung von strukturierten Rohren.Finer fin pitches require thinner rollers, what with constant alternating bending load, an increased risk of breakage as well as greater susceptibility to wear of the tool brings itself. Tool life is becoming increasingly critical, and frequent production interruptions due to tool changes are the consequence. Furthermore, the production speed increases of rolling machines with decreasing fin pitch from. At the same time, due to the worldwide Competitive to a crucial production cost Factor for economic success in the manufacture of structured pipes.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein feinstrukturiertes Rohr zu fertigen, das sowohl auf der Außen- als auch auf der Innenseite einen großen Oberflächenzuwachs besitzt sowie über ein geringes Strukturgewicht verfügt. Die Geometrien von Außen- und Innenstruktur sollen unabhängig von einander anpaßbar sein. Das Rohr muß mit hoher Geschwindigkeit, mit einfachen Werkzeugen und geringem Werkzeugverschleiß hergestellt werden können. Glatte Enden und Zwischenstücke sollen ohne Mehraufwand herstellbar sein.The invention is therefore based on the object of a finely structured To manufacture pipe that is both on the outside and also has a large surface increase on the inside and has a low structural weight. The Geometries of external and internal structure should be independent of be adaptable to each other. The pipe must be moving at high speed, with simple tools and low tool wear can be produced. Smooth ends and spacers should be able to be produced without additional effort.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch beidseitig strukturierte
Wärmeaustauscherrohre gelöst, die auf der Außenseite Vertiefungen
und auf der Innenseite Rippen besitzen, und zwar
nach einer ersten Ausführungsform durch ein Wärmeaustauscherrohr
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und nach einer zweiten
Ausführungsform durch ein Wärmeaustauscherrohr mit den Merkmalen
des nebengeordneten Anspruchs 2.The task is inventively structured by bilateral
Heat exchanger tubes loosened, the recesses on the outside
and have ribs on the inside
according to a first embodiment through a heat exchanger tube
with the features of
Die Ansprüche 3 bis 7 betreffen vorteilhafte Bereiche für
Abmessungen der Vertiefungen bzw. eine vorteilhafte Querschnittsform
der Innenrippen.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren gemäß
zweier Varianten nach den Ansprüchen 13 und 14 zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohre.The invention further relates to a method according to
two variants according to
Die verwendeten Strukturierungswerkzeuge können so eingestellt werden, daß sie sowohl fluchtende, kontinuierliche Nuten als auch nicht-fluchtende, voneinander beabstandete Vertiefungen erzeugen.The structuring tools used can be set in this way be that they are both aligned, continuous grooves also non-aligned, spaced-apart depressions produce.
Durch Verwendung zusätzlicher Werkzeuge können die Vertiefungen modifiziert werden, so daß sekundäre Strukturen an den Flanken oder am Grund der Vertiefungen oder an den Stegen zwischen den Vertiefungen entstehen. Je nach Anwendung können diese sekundären Strukturen die thermische Leistung von Rohren beträchtlich steigern. Dies erfolgt im Wesentlichen durch die Ausnutzung von Oberflächenspannungseffekten.By using additional tools, the recesses be modified so that secondary structures on the Flanks or at the bottom of the depressions or on the webs arise between the wells. Depending on the application these secondary structures the thermal performance of pipes increase considerably. This is essentially done through the Exploitation of surface tension effects.
Für Verflüssigerrohre ist es günstig, Strukturen zu erzeugen, die konvexe Kanten und im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Kanäle besitzen. Diese Kanäle ermöglichen den Abfluß von Kondensat, das auf dem Rohr selbst oder auf den darüber liegenden Rohren des Rohrbündels entsteht (Ansprüche 8 bis 11, 15/16).For condenser pipes, it is beneficial to create structures the convex edges and essentially in the circumferential direction have running channels. These channels enable the Drainage of condensate on the pipe itself or on the tubes of the tube bundle lying above arise (claims 8 to 11, 15/16).
Für Rohre, die in überfluteten Verdampfern oder Sprühverdampfern eingesetzt werden, ist es vorteilhaft, hinterschnittene Strukturen zu erzeugen, indem die oberen Bereiche der Vertiefungen teilweise verschlossen werden. Dies wird erfindungsgemäß durch zusätzliche Glättungswerkzeuge, die hinter dem eigentlichen Strukturierungswerkzeug auf der Werkzeugwelle angeordnet sind, erreicht (Ansprüche 12/17).For pipes in flooded evaporators or spray evaporators used, it is advantageous to undercut Generate structures by the top areas of the wells partially closed. This is according to the invention through additional smoothing tools behind the actual structuring tool on the tool shaft are arranged, achieved (claims 12/17).
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is illustrated by the following examples explained in more detail.
Es zeigt
Figur 3- ein
erfindungsgemäßes Wärmeaustauscherrohr 1 mit einemglatten Ende 1a, einem Übergangsbereich, in dem die äußere Struktur beginnt, und einemstrukturierten Bereich 2, wobei dieVertiefungen 3 als kontinuierliche, fluchtende Nuten geformt sind; Figur 4- eine detaillierte Ansicht einer
einzelnen Vertiefung 3, wobei der Flankenwinkel δ derVertiefung 3 relativ zur Symmetriefläche derVertiefung 3 gemessen wird; Figur 5- einen Schnitt durch die
Vertiefung 3 senkrecht zur Längsrichtung derVertiefung 3; Figur 6- das auf einer Werkzeugwelle 14
montierte Rollprofilwerkzeug 10 zur Erzeugung der inFigur 3 gezeigten Außenstruktur; Figur 7- schematisch den Strukturierungsprozeß;
Figur 8- schematisch ein Rohrstück mit einem glatten Ende la,
einem Übergangsbereich, in dem die äußere Struktur
beginnt, und einem strukturierten Bereich 2, wobei
die
Vertiefungen 7 beabstandet sind, so daß sie einzelne, nicht fluchtende Vertiefungen 7 bilden; Figur 9- eine vergrößerte Ansicht von sechs beabstandeten,
nicht-
fluchtenden Vertiefungen 7; Figur 10- eine Detailansicht einer Vertiefung 3
mit sekundären Nuten 8 inden Stegen 20, wobei die sekundären Nuten 8 quer zu den primär geformten Vertiefungen 3 angeordnet sind; Figur 11- eine Gesamtansicht des Werkzeugaufbaus zur Herstellung
der Außenstruktur, die in
Figur 10 dargestellt ist; Figur 12- eine Detailansicht eines strukturierten Rohres 1,
bei dem die
Enden 9der Stege 20 eingeglättet wurden, um hohlraumartige Kanäle unter der Außenoberfläche zu erzeugen; Figur 13- eine Gesamtansicht des Werkzeugaufbaus zur Herstellung
der Außenstruktur, die in
Figur 12 gezeigt ist.
- Figure 3
- a
heat exchanger tube 1 according to the invention with asmooth end 1a, a transition region in which the outer structure begins, and astructured region 2, thedepressions 3 being shaped as continuous, aligned grooves; - Figure 4
- a detailed view of a
single depression 3, the flank angle δ of thedepression 3 being measured relative to the symmetry surface of thedepression 3; - Figure 5
- a section through the
recess 3 perpendicular to the longitudinal direction of therecess 3; - Figure 6
- the
roll profile tool 10 mounted on atool shaft 14 for producing the external structure shown in FIG. 3; - Figure 7
- schematically the structuring process;
- Figure 8
- schematically a piece of pipe with a smooth end la, a transition region in which the outer structure begins, and a
structured region 2, therecesses 7 being spaced apart so that they form individual,non-aligned recesses 7; - Figure 9
- an enlarged view of six spaced,
non-aligned recesses 7; - Figure 10
- a detailed view of a
recess 3 withsecondary grooves 8 in thewebs 20, wherein thesecondary grooves 8 are arranged transversely to the primary shapedrecesses 3; - Figure 11
- an overall view of the tool structure for producing the outer structure, which is shown in Figure 10;
- Figure 12
- a detailed view of a
structured tube 1, in which theends 9 of thewebs 20 have been smoothed to create cavity-like channels under the outer surface; - Figure 13
- an overall view of the tool structure for producing the outer structure, which is shown in Figure 12.
Ein einstückiges, metallisches Wärmeaustauscherrohr 1 gemäß
Fig. 3 besitzt glatte Enden 1a und mindestens einen strukturierten
Bereich 2 auf der Rohraußen- und Innenseite (ein
glattes Ende 1a und evtl. glatte Zwischenbereiche 1b sind
nicht dargestellt). Die Struktur 2 besteht aus fluchtenden,
kontinuierlichen Vertiefungen 3, die schraubenlinienartig um
das Rohr 1 verlaufen. Die Anfänge 6 der Vertiefungen 3 befinden
sich auf Linien, die um den Schrägstellungswinkel α gegenüber
der Rohrumfangsrichtung geneigt sind. Die Vertiefungen 3
wurden in die Rohraußenseite geformt, indem ein oder mehrere
rotierende Rollprofilwerkzeuge 10 in die Rohrwand 4 gepreßt
werden und das so verdrängte Material der Rohrwand 4 radial
nach innen gedrückt wird. Hierdurch nimmt der Innendurchmesser
des Rohres 1 ab. Die kontinuierlich fortlaufenden Vertiefungen
3 entstehen durch sukzessives Aneinanderreihen endlich ausgedehnter,
zueinander fluchtend angeordneter Einzelvertiefungen,
die von den Rollprofilwerkzeugen 10 geformt werden. Der Außendurchmesser
des Rohrs 1 darf im strukturierten Bereich 2 nicht
größer sein als in den glatten Bereichen (Enden 1a, Zwischenbereiche
1b).A one-piece, metallic
Das in Fig. 3 dargestellte Rohr 1 besitzt zur Verbesserung des
rohrseitigen Wärmeübergangs auf seiner Innenseite zusätzlich
schraubenlinienartig umlaufende, trapezförmige Rippen 5, die
ebenfalls aus dem Material der Rohrwand 4 geformt wurden. Der
Helixwinkel der Rippen 5 wird gegen die Rohrachse 33 gemessen
und liegt üblicherweise zwischen 10° und 50°. Die Höhe H
der Rippen 5 kann bis zu 0,60 mm betragen. Größere Rippenhöhen
sind fertigungstechnisch schwierig zu beherrschen. Mit einer
derartigen Innenstruktur wird ein Flächenzuwachs von bis zu
100% gegenüber einem innen glatten Rohr erzielt. Unabhängig
von der Art der Innenstruktur ist im allgemeinen ein Flächenzuwachs
von mindestens 20% gegenüber einem innen glatten Rohr
für eine deutliche Steigerung des rohrseitigen Wärmeübergangs
erforderlich.The
Fig. 4 zeigt eine Detailansicht einer einzelnen kontinuierlichen
Vertiefung 3. Die Vertiefungen 3 haben einen im wesentlichen
trapezförmigen Querschnitt. Die unbearbeiteten Abschnitte
20 zwischen den Vertiefungen 3 werden Stege genannt. Der
Rohraußendurchmesser - gemessen über diese Stege 20 - ist
üblicherweise nahezu gleich dem Außendurchmesser der glatten
Bereiche 1a, 1b. Der Grund der Vertiefung 3 kann eine eckige,
runde, gekrümmte oder eine anderweitige Form haben. Diese Form
wird durch die Form der Erhebungen 13 des Rollprofilwerkzeugs
10 bestimmt. Die Form kann dahingehend optimiert werden, daß
der Umformprozeß ähnlich der Abrollbewegung von formoptimierten
Zahnrädern abläuft. Der Flankenwinkel δ der Vertiefung 3
wird, wie in Fig. 4 dargestellt, gegen die Symmetriefläche der
Vertiefung 3 gemessen.Fig. 4 shows a detailed view of a single
In Fig. 5 ist ein Schnittbild der Vertiefungen 3 senkrecht zur
Längsrichtung der Vertiefung 3 dargestellt. Die Abmessungen
der Vertiefungen 3 sollen so gewählt werden, daß eine möglichst
große Außenoberflächen erzielt wird. Insbesondere
sollte der Flankenwinkel δ möglichst klein sein, die Tiefe T
der Vertiefungen 3 und die Anzahl der Vertiefungen 3 am Umfang
sollten möglichst groß sein. Eine Tiefe T von 0,4 mm bis 1,5
mm ist erreichbar. Der bevorzugte Bereich für den Flankenwinkel
δ ist zwischen 7° und 25°. Die Teilung P der Vertiefungen
3 wird senkrecht zur Symmetriefläche gemessen und beträgt
vorzugsweise 0,25 mm bis 2,2 mm. Die Weite W der Vertiefungen
3 wird auf halber Tiefe T gemessen. Die Weite W beträgt 60%
bis 80% der Teilung P. Folglich ist das Volumen der Vertiefungen
3 größer als das Volumen der Stege 20, was ein geringes
Strukturgewicht bewirkt.5 is a sectional view of the
Fig. 6 zeigt eine Darstellung eines Rollprofilwerkzeugs 10,
das auf eine Werkzeugwelle 14 montiert ist und zur Herstellung
von fluchtenden, kontinuierlichen Nuten ausgelegt ist. Das
Rollprofilwerkzeug 10 besitzt auf seinem Umfang eine Anzahl
von regelmäßigen, trapezförmigen Erhebungen 13 ähnlich einem
Zahnrad. Die Erhebungen 13 verlaufen helixartig mit einem
Drallwinkel β gemessen gegen die Achse des Werkzeugs 10. Um
den Werkzeugverschleiß in der vorderen Bearbeitungszone des
Werkzeugs 10 gering zu halten ist es vorteilhaft, das Rollprofilwerkzeug
10 teilweise mit einem Konus 11 zu versehen.
Ferner kann es günstig sein, den strukturierten Konus 11 des
Rollprofilwerkzeugs 10 um einen glatten konischen Bereich zu
ergänzen. Der zylindrische Teil 12 des Rollprofilwerkzeugs 10
besitzt die Dicke s. Üblicherweise besitzen die Produktionsmaschinen
drei oder vier Werkzeugwellen 14, die wie ein
gleichseitiges Drei- bzw. Viereck gleichmäßig um den Rohrumfang
herum angeordnet sind. Während des Bearbeitungsvorgangs
sind die Werkzeugwellen 14 gegenüber der Rohrachse 33 schräg
angestellt. Der Schrägstellungswinkel α ist inhärenterweise
gleich dem Winkel α, den die Linien, auf denen die Anfänge 6
der Vertiefungen 3 liegen, mit der Umfangsrichtung des Rohres
einschließen, wie der Fig. 3 zu entnehmen ist. 6 shows an illustration of a
Der Strukturierungsprozeß ist schematisch in Fig. 7 gezeigt.
Rohr und Rollprofilwerkzeug 10 sind hierbei im Längsschnitt
dargestellt. Als Ausgangsrohr wird ein Glattrohr 1' durch das
rotierende Rollprofilwerkzeug 10 in Rotation versetzt und
entsprechend der Schrägstellung des Werkzeugs in Axialrichtung
vorgeschoben. Die Bewegungsrichtung des Rohres in
Axialrichtung ist durch einen Pfeil angedeutet. Wenn das
Glattrohr 1' in die Umformzone unter dem Rollprofilwerkzeug 10
tritt, werden Vertiefungen 3 auf der Rohraußenseite geformt
und der Innendurchmesser reduziert. Das Material der Rohrwand
4 wird auf den innenliegenden, strukturierten Dorn 15 gepreßt.
Der Dorn 15 ist drehbar gelagert, um sich der Rotation des
Rohres anzupassen. Im strukturierten Bereich 2 ist die verbleibende
Wanddicke des Rohrs 1 (gemessen zwischen Außen- und
Innenstruktur) notwendigerweise kleiner als die Wanddicke des
Glattrohrs 1', da sowohl die Innen- als auch Außenstruktur aus
dem Wandungsmaterial des Glattrohrs 1' geformt werden.The structuring process is shown schematically in FIG. 7.
Pipe and roll
Es muß sichergestellt werden, daß die von jedem Rollprofilwerkzeug
10 geformten Einzelvertiefungen zu einander fluchtend
angeordnet sind, um durch sukzessives Aneinanderreihen endlich
ausgedehnter Einzelvertiefungen kontinuierlich fortlaufende
Vertiefungen 3 zu erzeugen. Dies wird erreicht, indem der
Schrägstellungswinkel α auf die Teilung P der Vertiefungen 3,
die Anzahl nR der Vertiefungen 3 am Rohrumfang, den Kerndurchmesser
Dcore des Rohrs 1 (gemessen am Grund der Vertiefungen 3)
und den Drallwinkel β des Rollprofilwerkzeugs 10 gemäß der
folgenden Gleichung abgestimmt wird:
It must be ensured that the individual depressions formed by each
Ferner muß die Dicke s des zylindrischen Teils 12 des Rollprofilwerkzeugs
10 folgendes Mindestmaß besitzen, damit die
Vertiefungen 3 ohne Unterbrechung fortlaufen:
Der Steigungswinkel γ der Vertiefungen 3 wird gegen die Rohrachse
33 gemessen und ist gleich der Summe des Schrägstellungswinkels
α und des Drallwinkels β des Rollprofilwerkzeugs,
wie in Fig. 3 dargestellt ist. γ liegt im Bereich zwischen 0°
und 70°.The angle of inclination γ of the
Um die Geschwindigkeit des Strukturierungsprozesses zu maximieren
ist es günstig, den Schrägstellungswinkel α des Werkzeugs
10 möglichst groß zu wählen. Um der oben genannten
Gleichung Gl. 1 zu genügen, kann bei gegebener Strukturgeometrie
der Drallwinkel β des Rollprofilwerkzeugs 10 angepaßt
werden. In der Praxis können bei Anwendung des beschriebenen
Verfahren Schrägstellungswinkel α zwischen 5° und 15° erreicht
werden. Größere Schrägstellungswinkel würden noch höhere
Produktionsgeschwindigkeiten zulassen. Strukturierte Rohre,
die gemäß US-5 697 430 oder DE-197 57 526 nach dem herkömmlichen
Berippungsverfahren hergestellt werden, benötigen bei
einer Rippenteilung von ca. 0,4 mm je nach Anzahl der eingesetzten
Werkzeugwellen 14 und je nach Rohrdurchmesser typischerweise
Schrägstellungswinkel α zwischen 1,5° und 2,5°.
Dies zeigt den Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens
bezüglich Produktionsgeschwindigkeit. To maximize the speed of the structuring process
it is favorable to set the angle of inclination α of the
Glatte Zwischenbereiche 1b können wahlweise erzeugt werden,
indem die Rollprofilwerkzeuge .10 außer Eingriff mit dem Glattrohr
1' gebracht werden (vgl. beispielsweise DE-A 1.452.247).Smooth
Fig. 8 zeigt schematisch eine Darstellung eines erfindungsgemäß
strukturierten Rohres 1 mit voneinander beabstandeten,
nicht-fluchtenden Vertiefungen 7. Die Vertiefungen 7 besitzen
die Länge L. Es ist der Übergangsbereich zwischen glattem Ende
la und strukturiertem Bereich 2 dargestellt. Die Vertiefungen
7 ordnen sich in separierten Reihen an, die schraubenlinienartig
um das Rohr 1 laufen. Eine derartige Reihe wird "Spur"
genannt. Jedes um das Rohr 1 angeordnete Rollprofilwerkzeug 10
formt eine eigene Spur. Um den Oberflächengewinn zu maximieren,
sollten benachbarte Spuren so eng wie möglich angeordnet
sein.8 schematically shows an illustration of a device according to the invention
structured
Die in Fig. 8 dargestellten, beabstandeten Vertiefungen 7
werden geformt, indem ein Rollprofilwerkzeug 10 ohne konischen
Teil 11 verwendet wird. Das Rollprofilwerkzeug 10 besteht nur
aus einem zylindrischen Teil 12 der Dicke s. Die endliche
Länge L der beabstandeten Vertiefungen 7 hängt von der Dicke
s des Rollprofilwerkzeugs 10 und dem Drallwinkel β der Erhebungen
13 auf dem Rollprofilwerkzeug 10 wie folgt ab:
Um zu verhindern, daß sich die Spuren der einzelnen Rollprofilwerkzeuge
10 überschneiden, muß der Schrägstellungswinkel
α geeignet gewählt werden:
wobei m die Anzahl der um das Rohr 1 angeordneten Werkzeugwellen
14 und Dcore der Kerndurchmesser des Rohres 1 ist. Falls der
Schrägstellungswinkel α aus konstruktiven Gründen nach oben
beschränkt ist, wird die maximale Dicke des Rollprofilwerkzeugs
10 durch folgende Gleichung bestimmt:
Fig. 9 zeigt eine vergrößerte Ansicht der beabstandeten,
nicht-fluchtenden Vertiefungen 7 von Fig. 8. Benachbarte
Vertiefungen 7 einer Spur sind durch Stege 20 getrennt. Ein
dünner Rohrabschnitt 21 zwischen benachbarten Spuren bleibt
unverformt. Über die unverformten Abschnitte 21 und Stege 20
gemessen besitzt das Rohr 1 nahezu den gleichen Außendurchmesser
wie die glatten Bereiche 1a, 1b. Die Vertiefungen 7
haben im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt. Der Grund
der Vertiefung 7 kann eine eckige, runde, gekrümmte oder eine
anderweitige Form haben. Diese Form wird durch die Form der
Erhebungen 13 des Rollprofilwerkzeugs 10 bestimmt.9 shows an enlarged view of the spaced
Das Schnittbild der beabstandeten Vertiefungen 7 ist mit dem
Schnittbild der fluchtenden, kontinuierlichen Vertiefungen 3,
das in Fig. 5 dargestellt ist, identisch. Für die geometrischen
Abmessungen der Vertiefungen 7 gilt im Fall der beabstandeten
Vertiefungen 7 dasselbe wie im Fall der fluchtenden,
kontinuierlichen Vertiefungen 3. Insbesondere gelten die
Beziehungen, die im Zusammenhang mit Fig. 5 genannt wurden.
Damit ergeben sich in beiden Fällen ähnlich günstige Eigenschaften
des Rohres 1 bezüglich Oberflächengewinn und Strukturgewicht.The sectional view of the spaced
Die Übertragungsleistung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres
1 kann weiter gesteigert werden, indem man Oberflächenspannungseffekte
ausnutzt. Es ist bekannt, daß bei
Rohren für Verflüssiger konvexe Kanten zur Verdünnung des
Kondensatfilms führen. Die Dichte der konvexen Kanten wird
durch sekundäre Nuten 8, die im wesentlichen quer zu den
primär geformten Vertiefungen 3, 7 eingeprägt sind, beträchtlich
erhöht. Eine so modifizierte Struktur ist in Fig. 10
vergrößert dargestellt. Das durch das Einprägen der sekundären
Nuten 8 verdrängte Material des Stegs 20 bildet Auskragungen
22, die im wesentlichen quer zu den primär geformten Vertiefungen
3, 7 angeordnet sind. Die Ränder 23 dieser Auskragungen
22 stellen einen Teil der gewünschten, zusätzlichen konvexen
Kanten dar. Der zur Struktur von Fig. 10 gehörende Werkzeugaufbau
ist in Fig. 11 gezeigt und besteht aus einem primären
Rollprofilwerkzeug 10 und einer sekundären Kerbscheibe 16, die
voneinander beabstandet auf der Werkzeugwellen 14 angeordnet
sind. Die sekundäre Kerbscheibe 16 besitzt auf ihrem Umfang
eine Anzahl von regelmäßigen Erhebungen 17 ähnlich einem
Zahnrad. Die Erhebungen 17 verlaufen helixartig mit einem
Drallwinkel β' gemessen gegen die Achse der Kerbscheibe 16.
Die Tiefe E der sekundären Nuten 8 sollte 20% bis 80% der
Tiefe T der primären Vertiefungen 3, 7 betragen, dementsprechend
ist der Durchmesser der Kerbscheibe 16 kleiner zu wählen
als der Durchmesser des Rollprofilwerkzeugs 10. Die Teilung
sollte K = 0,25 bis 2,2 mm betragen. Der Winkel ϕ, den die
primären Vertiefungen 3, 7 mit den sekundären Nuten 8 einschließen,
wird durch den Drallwinkel β der Erhebungen 12 des
Rollprofilwerkzeugs 10 und den Drallwinkel β' der Erhebungen
17 der Kerbscheibe 16 festgelegt. ϕ kann zwischen 20° und 160°
betragen.The transmission power of the heat exchanger tube according to the
Es ist ein inhärenter Vorteil der Erfindung, daß der Hauptumformschritt,
bei dem - wie in Fig. 7 dargestellt - die
primäre Außenstruktur und die Innenstruktur gleichzeitig
gebildet werden, durch ein relativ grobes Rollprofilwerkzeug
10 ausgeführt werden kann. Die sekundäre Struktur, die üblicherweise
sehr viel feiner als die primäre ist, wird nicht aus
der Rohrwand 4 geformt, sondern nur aus den Stegen 20. Dies
bedeutet, daß die Menge des im Feinstrukturierungsschritt
umzuformenden Materials sehr viel geringer ist als bei herkömmlichen
Herstellungsverfahren, bei denen feine Rippen mit
feinen Werkzeugen direkt aus der massiven Rohrwand geformt
werden. Dies wirkt sich günstig auf die Lebensdauer des Werkzeugs
aus.It is an inherent advantage of the invention that the main forming step,
in which - as shown in Fig. 7 -
primary outer structure and the inner structure at the same time
are formed by a relatively coarse
Man erhält eine abgewandelte Struktur, wenn man die sekundären
Nuten 8 mittels einer Anzahl von dünnen Walzscheiben (nicht
dargestellt) konstanten Durchmessers erzeugt, wobei die Walzscheiben
als Paket anstelle der sekundären Kerbscheibe 16 nach
dem Rollprofilwerkzeug 10 auf der Werkzeugwelle 14 aufgebaut
werden. In diesem Fall ist die Richtung der sekundären Nuten
8 parallel zur Senkrechten auf die Achse der Werkzeugwelle
14. Da der Schrägstellungswinkel α ungefähr 10° ist, sind
diese sekundären Nuten 8 somit nur um diesen relativ geringen
Winkelbetrag gegenüber der Senkrechten zur Rohrachse 33 geneigt.
Bei einer horizontalen Rohranordnung haben derartige
sekundäre Nuten 8 den Vorteil, daß von oben herabtropfendes
Kondensat wie in nahezu senkrechten Kanälen gut nach unten
abgeleitet wird.You get a modified structure if you look at the
Es ist bekannt, daß der Vorgang des Blasensiedens deutlich intensiviert werden kann, wenn hinterschnittene, kavernenartigen Strukturen auf der Rohroberfläche gebildet werden. Diese Kavernen oder auch Tunnel sind durch Öffnungen oder Poren mit dem umgebenden Fluid verbunden ("hinterschnitten" bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Öffnung der Kavernen kleiner ist als der darunter liegende Hohlraum). Der wesentliche Teil der Verdampfung findet in diesen Kavernen oder Tunneln statt. Flüssigkeit dringt durch die Poren in die Hohlräume ein. Der erzeugte Dampf entweicht durch die Poren.It is known that the bubble boiling process is clear can be intensified if undercut, cavernous Structures are formed on the pipe surface. These caverns or tunnels are through openings or Pores connected to the surrounding fluid ("undercut" in this context means that the opening of the caverns is smaller than the cavity below). The essential Part of the evaporation takes place in these caverns or tunnels instead of. Liquid penetrates into the cavities through the pores on. The steam generated escapes through the pores.
Hinterschnittene Kavernen bzw. Tunnels werden erfindungsgemäß
durch teilweises Verschließen des oberen Bereichs der Vertiefungen
3, 7 erzeugt. Die unter der äußeren Oberfläche liegenden
Hohlräume sind dann durch Öffnungen oder Poren mit dem
umgebenden Fluid verbunden.Undercut caverns or tunnels are invented
by partially closing the upper area of the
Fig. 12 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt
eines strukturiertes Rohrs 1, bei dem die Enden 9 von benachbarten,
mit sekundären Nuten 8 versehenen Stegen 20 eingeglättet
wurden. Die eingeglätteten Enden 9 bilden einen teilweise
geschlossenen Deckel über der Vertiefung 3. Auf diese Weise
wird ein System von unter der äußeren Rohroberfläche liegenden
Hohlräumen, die mit der Umgebung durch schmale Öffnungen 24
verbunden sind, erzeugt. Es ist vorteilhaft, für die sekundären
Nuten 8 eine feinere Teilung zu verwenden als für die
primären Vertiefungen. Fig. 13 zeigt einen Werkzeugaufbau zur
Herstellung derartiger Strukturen. Eine zylindrische Glättscheibe
18 konstanten Durchmessers ist auf der Werkzeugwelle
14 hinter der Kerbscheibe 16 angeordnet. Der Durchmesser der
Glättscheibe 18 ist kleiner als der Durchmesser des Rollprofilwerkzeugs
10.Fig. 12 shows a detail in an enlarged view
a
Ähnliche Strukturen erhält man durch teilweises Verschließen
von nicht-fluchtenden, voneinander beabstandeten Vertiefungen
7.Similar structures can be obtained by partially closing them
of non-aligned, spaced-apart
Das Verschließen der Vertiefungen 3, 7 bewirkt eine Reduktion
des äußeren Rohrdurchmessers. Dies kann jedoch kontrolliert
werden, indem der primäre Strukturierungsschritt so gesteuert
wird, daß nicht alles auf der Rohraußenseite verdrängte Material
auf der Innenseite des Rohres zur Bildung der Innenstruktur
benötigt werden kann. Hierzu wird ein Rollprofilwerkzeug
10 mit großer Verdrängung sowie ein profilierter Dorn
15 mit schmalen Nuten verwendet. Ferner muß der Durchmesser
des Dorns geeignet gewählt werden. Die Stege 20 zwischen den
Vertiefungen 3, 7 werden dann in Radialrichtung nach außen
herausgeformt, was verglichen mit dem Glattrohr 1' zwischenzeitlich
einen größeren Rohrdurchmesser in diesem Rohrbereich
ergibt. Anschließend werden die sekundären Nuten 8 geformt und
die resultierenden Enden 9 der Stege 20 werden eingeglättet,
um die Vertiefungen 3, 7 teilweise zu verschließen. Werden die
Verfahrensparameter wie dargestellt gewählt werden, dann kann
der endgültige Außendurchmesser im strukturierten Bereich 2
kleiner oder gleich dem Außendurchmesser an den unbearbeiteten,
glatten Enden 1a sein.Closing the
Die vorangegangenen Abschnitte zeigen die große Flexibilität der vorgeschlagenen Technik, um wärmeübergangssteigernde Strukturen auf Rohroberflächen herzustellen. Das Verfahren kann sowohl auf nahtlose, gezogene Rohre wie auch auf geschweißte Rohre, die aus eingeformten Metallbändern gefertigt wurden, angewendet werden. Die vorgeschlagenen Rohre und Verfahren basieren aber immer auf der Strukturierung von Rohren und nicht von Bändern.The previous sections show the great flexibility the proposed technique to increase heat transfer To produce structures on pipe surfaces. The procedure can be used on seamless, drawn tubes as well as on welded Pipes made from molded metal strips were applied. The proposed pipes and However, processes are always based on the structuring of Pipes and not from tapes.
Gemäß dem beschriebenen Verfahren wurden beidseitig strukturierte
Kupferrohre 1 mit einem Kerndurchmesser Dcore von 17,80
mm hergestellt. Die Außenstruktur besteht aus 36 fluchtenden,
kontinuierlichen Vertiefungen 3. Dem Rollprofilwerkzeug 10
lagen folgende geometrischen Daten zugrunde:
Der Schrägstellungswinkel α der Walzwellen 14 mußte auf 7,5°
eingestellt werden. Entsprechend ergibt sich der Steigungswinkel
γ der Nuten zu 64,5°. Die Tiefe T der Vertiefungen 3
beträgt 0,7 mm. Die Innenstruktur besteht aus 41 trapezförmigen
Rippen 5, die unter einem Steigungswinkel von 45°
schraubenlinienartig umlaufen. Die Höhe H der Innenrippen 5
beträgt 0,35 mm. Die sekundären Nuten 8 wurden mit einem Paket
aus Walzscheiben der Teilung 0,35 mm hergestellt. Die so
erzeugte Rohrstruktur zeigt bei Verflüssigung des Kältemittels
R-134a auf der Außenseite und Kühlwasserströmung auf der
Rohrinnenseite gute Wärmeübertragungseigenschaften. Abhängig
von den physikalischen Eigenschaften des Fluids sollte die
Teilung K der sekundären Nuten 8 zwischen 0,25 mm und 2,2 mm
liegen.The inclination angle α of the rolling
Claims (17)
daß die Länge L der beabstandeten Vertiefungen (7) L = 1 bis 4 mm beträgt. Heat exchanger tube according to claim 2, characterized in
that the length L of the spaced depressions (7) L = 1 to 4 mm.
daß die Tiefe T der Vertiefungen (3, 7) T = 0,4 bis 1,5 mm beträgt.Heat exchanger tube according to claim 1, 2 or 3, characterized in
that the depth T of the depressions (3, 7) T = 0.4 to 1.5 mm.
daß der Steigungswinkel y der Vertiefungen (3, 7) γ = 15° bis 60° beträgt.Heat exchanger tube according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that
that the pitch angle y of the depressions (3, 7) is γ = 15 ° to 60 °.
daß der Flankenwinkel δ der Vertiefungen (3, 7) δ = 9° bis 15° beträgt.Heat exchanger tube according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that
that the flank angle δ of the depressions (3, 7) is δ = 9 ° to 15 °.
daß die Rippen (5) auf der Rohrinnenseite einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.Heat exchanger tube according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that
that the ribs (5) have a substantially trapezoidal cross-section on the inside of the tube.
daß auf der Rohraußenseite quer zu den Vertiefungen (3, 7) unter einem Kerbwinkel ϕ = 20° bis 160° sekundäre Nuten (8) verlaufen.Heat exchanger tube according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that
that secondary grooves (8) run on the outside of the tube transversely to the depressions (3, 7) at a notch angle ϕ = 20 ° to 160 °.
daß der Kerbwinkel ϕ = 30° bis 150° beträgt.Heat exchanger tube according to claim 8, characterized in
that the notch angle ϕ = 30 ° to 150 °.
daß die Tiefe E der sekundären Nuten (8) E = 0,2 T bis 0,8 T der Tiefe der Vertiefungen (3, 7) beträgt. Heat exchanger tube according to claim 8 or 9, characterized in
that the depth E of the secondary grooves (8) E = 0.2 T to 0.8 T of the depth of the recesses (3, 7).
daß die Teilung K der sekundären Nuten (8) K = 0,25 bis 2,2 mm beträgt.Heat exchanger tube according to one or more of claims 8 to 10, characterized in that
that the pitch K of the secondary grooves (8) is K = 0.25 to 2.2 mm.
daß die Enden (9) der zwischen den Vertiefungen (3, 7) befindlichen Stege (20) geglättet sind.Heat exchanger tube according to one or more of claims 8 to 11, characterized in that
that the ends (9) of the webs (20) located between the depressions (3, 7) are smoothed.
- nR =
- Anzahl der Vertiefungen (3) am Rohrumfang,
- Dcore =
- Kerndurchmesser des Rohres (1) - gemessen am Grund der Vertiefungen (3) -
- m =
- Anzahl der um das Rohr (1') angeordneten Werkzeugwellen (14),
- n R =
- Number of depressions (3) on the circumference of the pipe,
- D core =
- Core diameter of the tube (1) - measured at the bottom of the recesses (3) -
- m =
- Number of tool shafts (14) arranged around the tube (1 '),
- m =
- Anzahl der um das Rohr (1') angeordneten Werkzeugwellen (14),
- Dcore =
- Kerndurchmesser des Rohres (1) - gemessen am Grund der Vertiefungen (7)
- m =
- Number of tool shafts (14) arranged around the tube (1 '),
- D core =
- Core diameter of the tube (1) - measured at the bottom of the recesses (7)
daß die Enden (9) der zwischen den Vertiefungen (3, 7) befindlichen Stege (20) durch eine zahnradartige Kerbscheibe (16) abschnittsweise eingedrückt werden.A method according to claim 13 or 14 for producing a heat exchanger tube (1) according to one or more of claims 8 to 11, characterized in that
that the ends (9) of the webs (20) located between the depressions (3, 7) are pressed in sections by a gear-like notched disk (16).
daß die Enden (9) der zwischen den Vertiefungen (3, 7) befindlichen Stege (20) durch Walzscheiben abschnittsweise eingedrückt werden.A method according to claim 13 or 14 for producing a heat exchanger tube (1) according to one or more of claims 8 to 11, characterized in that
that the ends (9) of the webs (20) located between the depressions (3, 7) are pressed in sections by roller disks.
daß die Enden (9) der Stege (20) durch radialen Druck mittels einer Glättscheibe (18) verformt werden.A method according to claim 15 or 16, for producing a heat exchanger tube (1) according to claim 12, characterized in that
that the ends (9) of the webs (20) are deformed by radial pressure by means of a smoothing disc (18).
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