EP1156294B1 - Wärmeaustauscherrohr zur Verdampfung mit unterschiedlichen Porengrössen - Google Patents

Wärmeaustauscherrohr zur Verdampfung mit unterschiedlichen Porengrössen Download PDF

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EP1156294B1
EP1156294B1 EP01111034A EP01111034A EP1156294B1 EP 1156294 B1 EP1156294 B1 EP 1156294B1 EP 01111034 A EP01111034 A EP 01111034A EP 01111034 A EP01111034 A EP 01111034A EP 1156294 B1 EP1156294 B1 EP 1156294B1
Authority
EP
European Patent Office
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tube
pores
teeth
relationship
pore
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01111034A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1156294A3 (de
EP1156294A2 (de
Inventor
Karine Brand
Andreas Dr. Beutler
Manfred Knab
Gerhard Dr. Schüz
Andreas Schwitalla
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Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
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Publication date
Application filed by Wieland Werke AG filed Critical Wieland Werke AG
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Publication of EP1156294A3 publication Critical patent/EP1156294A3/de
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Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F28F13/185—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings
    • F28F13/187—Heat-exchange surfaces provided with microstructures or with porous coatings especially adapted for evaporator surfaces or condenser surfaces, e.g. with nucleation sites
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y10T29/49391—Tube making or reforming

Definitions

  • the invention relates to a metallic heat exchange tube, in particular for Evaporation of liquids from pure substances or mixtures on the tube outside, according to the preamble of claim 1.
  • Evaporation occurs in many areas of refrigeration and air conditioning as well as in process and power engineering.
  • tube bundle heat exchangers used in which liquids of pure substances or mixtures Evaporate on the outside of the pipe and on the inside of the pipe a brine or cool water.
  • Such apparatuses are referred to as flooded evaporators.
  • the present invention relates to structured pipes in which the Heat transfer coefficient is intensified on the outside of the pipe. Because of this the majority of the heat transfer resistance often on the inside The heat transfer coefficient must be on the inside in the Usually also be intensified.
  • Heat exchanger tubes for tube bundle heat exchanger usually have at least one structured area as well smooth end pieces and possibly smooth intermediate pieces. The smooth end or Spacers limit the structured areas. So that the tube easily may be installed in the tube bundle heat exchanger, the outer may Diameter of the structured areas should not be greater than the outer diameter the smooth end and intermediate pieces.
  • the process of Bubble boiling intensified To increase the heat transfer during evaporation, the process of Bubble boiling intensified. It is known that the formation of bubbles at germinal sites starts. These germinal sites are usually small gas or steam inclusions. Such nucleation sites can already be produced by roughening the surface. When the growing bubble reaches a certain size, it releases itself from the surface. If in the course of bladder detachment, the germinal site by inflowing Liquid is flooded, u.U. the gas or steam inclusion by Liquid displaced. In this case, the germinal site is inactivated. This is possible avoid by a suitable design of the germinal sites. For this it is necessary that the opening of the germinal site is smaller than the underlying cavity, such as e.g. at undercut structures.
  • finned Tubes understood in which the ribs of the wall material of a smooth tube were formed.
  • various methods are known with which the be sealed between adjacent ribs channels, that connections between the channel and the environment in the form of pores or slits stay. Through this, the transport of liquid and steam can take place.
  • substantially closed channels are bent over or folding the rib (US 3,696,861, US 5,554,548), by columns and Pinching the rib (DE 2,758,526, US 4,577,381), and by notching and upsetting rib (US 4,660,630, EP 0,713,072, US 4,216,826).
  • JP-OS 63-172.892 a method is described, with the self-contained, large and small cavities are generated. This happens through Widening of the rolled rib channels at regular intervals. The single ones Cavities are connected by different sized pores with the outside space; however, large and small cavities are separated.
  • the goal of the JP-OS 63-172.892 is the creation of a structure that, at different Bank perennial urge, expressed by wall overheating, work consistently should.
  • the large cavities and pores should be at high wall overheating the Heat transfer ensure the separated therefrom small cavities and Pores, however, with small wall overheating.
  • This approach sets Also, again, assume that each one pore size for a given Operating state (heating surface load, saturation conditions, evaporating Fabric) is optimal.
  • the widening of the ribs is by a toothed Achieved slice that is thicker than the channel width between the ribs. hereby The ribs are pressed apart at the expansion point on both sides. As a result, the two adjacent channels will be at this point closed, resulting in individual separate cavities. At The expansion point creates a relatively large opening.
  • JP-OS 54-16,766 a heat exchanger surface with large and suggested small pore openings, wherein the pores are arranged so that all the big pores on one side of the tube and all the small pores on the tube located on the other side of the pipe.
  • a tube is for horizontal Installation provided in a tube bundle apparatus. The installation must be so Make sure the big pores are up and the little pores are down are directed. The liquid is then sucked through the small pores, the Steam expelled up through the large pores.
  • a predetermined orientation is in a mass production of Heat exchangers not feasible, since the pipes usually by a Rolling be connected to the apparatus and in this Einwalzvorgang the tube is rotated about its axis by an uncontrollable angle.
  • the invention is based on the object, a heat exchanger tube of said Type with improved heat transfer properties Evaporation of substances on the tube outside to produce.
  • the heat transfer properties should be on the properties of the substance to be vaporized and be adaptable to the operating condition.
  • the size of a single pore can be precisely defined and measured. Due to the manufacturing process and due to tolerances in material and Tools have two arbitrarily chosen pores practically never the same shape and shape Size.
  • the pore size is subject to statistical fluctuations. It is because of that useful to divide the pores according to their size in size classes, where the pores with a finite distribution range group around frequency maxima. Different sized pores according to the invention should then be present if, in the frequency diagram according to FIG. 5, the abscissa values are adjacent Maxima of the frequency distribution by at least 50% of the smallest pore class different abscissa value.
  • a suitable image processing system consisting of optical image capture unit and digital evaluation unit is used.
  • the surface of the tube is captured photographically and the image is sorted in grayscale.
  • a gray level threshold By a suitable choice of a gray level threshold, the image of the tube surface is divided into pore areas and areas of metallic surface. The pore areas are then geometrically measured and evaluated digitally.
  • FIG. 5 shows the frequency distribution of the pore size determined by means of such a system on a tube pattern according to the invention (compare the numerical example discussed later).
  • the pore size is characterized by the area of the pore opening, measured in ⁇ m 2 . One recognizes two maxima in the histogram.
  • the class of small pores is grouped around the maximum at a pore area A k
  • the class of large pores is grouped around the maximum at a pore area A g .
  • the values A g and A k can thus be interpreted in each case as the average pore size of the two pore classes.
  • the frequency ratio N k / N g (number N k of the small pores to the number N g of the large pores) is designated by m.
  • the channels located between the ribs pass through Material of the upper rib areas substantially closed, the so resulting cavities are connected by pores with the surrounding space.
  • These pores are designed to be typically in two size categories can be divided. After a regular, repetitive scheme follow along the channels to each a certain number of small pores one or several large pores. Through this structure, a directed flow in created the channels. Fluid gets through the small pores with support drawn in by the capillary pressure and wets the channel walls, creating thin films be generated. The steam accumulates in the center of the canal and escapes in the places with the lowest capillary pressure.
  • Claim 4 is directed to the ratio F k / F g .
  • the ratio of the total opening area must be matched to the properties of the medium used at the operating point.
  • this ratio should be proportional to the square root of the density ratio of vapor ⁇ D and liquid ⁇ FI : F k F G ⁇ ⁇ D ⁇ Fl
  • the invention further provides a process for the preparation of the invention Heat exchange tube.
  • the method according to the invention is characterized in that that the notch by large and small arranged on the circumference of the notch disc Teeth is effected; the notched rib tips are due to radial pressure up compressed to the level of notch.
  • Claims 7 to 12 relate to preferred embodiments of the device.
  • the integrally rolled finned tube 1 according to FIGS. 1 and 2 has helical circumferential ribs 2 on the tube outside, between which a groove 3 is formed. Material of the rib tips 2 'is displaced such that the rib gaps are closed to form channels 4 except for large pores 5 (area A g ) and small pores 6 (area A k ).
  • the channels 4 run around with a substantially uniform cross-section.
  • the production of the finned tube 1 according to the invention is carried out by a rolling process (see U.S. Patent Nos. 1,865,575 / 3,327,512) by means of that shown in FIG Contraption.
  • n 3 tool holders 7, in the in each case a rolling tool 8 and at least one downstream notching disc 9 and a compression roller 10 are integrated (in Figure 2, only one tool holder 7th shown. But it can, for example, four or more tool holder. 7 be used).
  • the tool holder 7 are radially deliverable.
  • the running in the direction of arrow in the device smooth tube 1 ' is characterized by the on Circumferentially arranged, driven rolling tools 8 set in rotation, wherein the axes of the rolling tools 8 extend obliquely to the tube axis.
  • the rolling tools 8 exist in a conventional manner of several side by side arranged rolling disks 11 whose diameter increases in the direction of the arrow.
  • the Centrally arranged rolling tools 8 form the helical circumferential ribs 2 from the pipe wall of the smooth tube 1 ', wherein the smooth tube 1 'here by a rolling dome 12 is supported.
  • the notching disk 9 shown in Figure 3 follows in each case three similar small teeth 14 a big tooth 13.
  • the width b at the tip of the small teeth 14 is the width B registered at the top of the large teeth 13 and the flank angle ⁇ indicated.
  • the phase change from liquid to vapor then does not happen Bubble evaporation, but by thin-film evaporation at the channel walls 15.
  • the pore system has two different tasks to fulfill. The liquid must first be in the area below the outer tube surface Channels 4 are transported. After evaporation, the resulting Steam 17 can escape to the outside.
  • ⁇ is the surface tension and r is the radius of curvature of the meniscus surface.
  • the radius of curvature r depends on the contact angle ⁇ and the pore shape.
  • P k 2 ⁇ ⁇ ⁇ cos R p
  • the helical circumferential channels 4 have a pitch of 0.5 mm and a height of 0.75 mm total.
  • the outer diameter of the tube 1 is about 19 mm.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of such a notch disk 9.
  • No. Notch division t Flank angle ⁇ Width b Width B Frequency ratio m 1 0.50 mm 25 ° 0.20 - - 2 0.50 mm 25 ° 0.20 0.40 8: 1 3 0.50 mm 25 ° 0.20 0.60 8: 1
  • FIG. 5 shows the frequency distribution of the pore size determined on the tube pattern according to the invention.
  • U.S. Patent 4,729,155 relates to adjacent channels passing through smaller transverse openings are interconnected.
  • the present invention refers to closed channels, where a directed flow present as described above. Cross connections between the channels lead to a disorder of directional flow and are therefore not for this concept useful.

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Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Wärmeaustauschrohr, insbesondere zur Verdampfung von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohraußenseite, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Verdampfung tritt in vielen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik sowie in der Prozess- und Energietechnik auf. In der Technik werden häufig Rohrbündelwärmeaustauscher verwendet, in denen Flüssigkeiten von Reinstoffen oder Mischungen auf der Rohraußenseite verdampfen und dabei auf der Rohrinnenseite eine Sole oder Wasser abkühlen. Solche Apparate werden als überflutete Verdampfer bezeichnet.
Durch die Intensivierung des Wärmeübergangs auf der Rohraußen- und der Rohrinnenseite lässt sich die Größe der Verdampfer stark reduzieren. Hierdurch nehmen die Herstellungskosten solcher Apparate ab. Außerdem sinkt die notwendige Füllmenge an Kältemittel, die bei den heute überwiegend verwendeten chlorfreien Sicherheitskältemitteln einen nicht zu vernachlässigenden Kostenanteil an den gesamten Anlagekosten ausmachen kann. Bei toxischen oder brennbaren Kältemitteln lässt sich durch eine Reduktion der Füllmenge ferner das Gefahrenpotential herabsetzen. Die heute üblichen Hochleistungsrohre sind etwa um den Faktor drei leistungsfähiger als glatte Rohre gleichen Durchmessers.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf strukturierte Rohre, bei denen der Wärmeübergangskoeffizient auf der Rohraußenseite intensiviert wird. Da hierdurch der Hauptanteil des Wärmedurchgangswiderstandes häufig auf die Innenseite verlagert wird, muss der Wärmeübergangskoeffizient auf der Innenseite in der Regel ebenfalls intensiviert werden. Wärmeaustauscherrohre für Rohrbündelwärmeaustauscher besitzen üblicherweise mindestens einen strukturierten Bereich sowie glatte Endstücke und eventuell glatte Zwischenstücke. Die glatten End- bzw. Zwischenstücke begrenzen die strukturierten Bereiche. Damit das Rohr problemlos in den Rohrbündelwärmeaustauscher eingebaut werden kann, darf der äußere Durchmesser der strukturierten Bereiche nicht größer sein als der äußere Durchmesser der glatten End- und Zwischenstücke.
Zur Erhöhung des Wärmeüberganges bei der Verdampfung wird der Vorgang des Blasensiedens intensiviert. Es ist bekannt, dass die Bildung von Blasen an Keimstellen beginnt. Diese Keimstellen sind meist kleine Gas- oder Dampfeinschlüsse. Solche Keimstellen lassen sich bereits durch Aufrauen der Oberfläche erzeugen. Wenn die anwachsende Blase eine bestimmte Größe erreicht hat, löst sie sich von der Oberfläche ab. Wenn im Zuge der Blasenablösung die Keimstelle durch nachströmende Flüssigkeit geflutet wird, wird u.U. der Gas- bzw. Dampfeinschluss durch Flüssigkeit verdrängt. In diesem Fall wird die Keimstelle inaktiviert. Dies lässt sich durch eine geeignete Gestaltung der Keimstellen vermeiden. Hierzu ist es notwendig, dass die Öffnung der Keimstelle kleiner ist als die darunterliegende Kavität, wie z.B. bei hinterschnittenen Strukturen.
Es ist Stand der Technik, derartige Strukturen auf der Basis von integral gewalzten Rippenrohren herzustellen. Unter integral gewalzten Rippenrohren werden berippte Rohre verstanden, bei denen die Rippen aus dem Wandungsmaterial eines Glattrohres geformt wurden. Hierbei sind verschiedene Verfahren bekannt, mit denen die zwischen benachbarten Rippen befindlichen Kanäle derart verschlossen werden, daß Verbindungen zwischen Kanal und Umgebung in Form von Poren oder Schlitzen bleiben. Durch diese kann der Transport von Flüssigkeit und Dampf erfolgen. Insbesondere werden solche im wesentlichen geschlossene Kanäle durch Umbiegen oder Umlegen der Rippe (US 3.696.861, US 5.054.548), durch Spalten und Stauchen der Rippe (DE 2.758.526, US 4.577.381), und durch Kerben und Stauchen der Rippe (US 4.660.630, EP 0.713.072, US 4.216.826) erzeugt.
Die bekannten Schutzrechte zielen darauf ab, eine möglichst gleichmäßige, definierte Kanal- und Porengröße zu erzeugen. In der US-PS 5.054.548 werden je nach dem zu verdampfenden Medium (Hochdruck- oder Niederdruck-Kältemittel) unterschiedlich große optimale Porengrößen angegeben. Diese Betrachtung setzt voraus, dass das Porensystem am besten aus gleich großen Poren aufgebaut wird.
In der JP-OS 63-172.892 wird eine Methode beschrieben, mit der voneinander abgeschlossene, große und kleine Kavitäten erzeugt werden. Dies geschieht durch Aufweiten der gewalzten Rippenkanäle in regelmäßigen Abständen. Die einzelnen Kavitäten sind durch verschieden große Poren mit dem Außenraum verbunden; große und kleine Kavitäten sind jedoch voneinander getrennt. Das Ziel der JP-OS 63-172.892 ist die Schaffung einer Struktur, die bei unterschiedlichen Heizflächenbelastungen, ausgedrückt durch die Wandüberhitzung, gleichbleibend funktionieren soll. Die großen Kavitäten und Poren sollen bei hoher Wandüberhitzung den Wärmeübergang sicherstellen, die hiervon abgetrennten kleinen Kavitäten und Poren hingegen bei kleiner Wandüberhitzung. Diese Betrachtungsweise setzt ebenfalls wieder voraus, dass jeweils eine Porengröße für einen gegebenen Betriebszustand (Heizflächenbelastung, Sättigungsbedingungen, verdampfender Stoff) optimal ist. Die Aufweitung der Rippengänge wird durch eine gezahnte Scheibe erreicht, die dicker ist als die Kanalbreite zwischen den Rippen. Hierdurch werden die Rippen an der Aufweitungsstelle nach beiden Seiten weit auseinandergedrückt. In der Folge werden die beiden benachbarten Kanäle an dieser Stelle verschlossen, wodurch einzelne voneinander abgetrennte Kavitäten entstehen. An der Aufweitungsstelle entsteht eine im Verhältnis sehr große Öffnung.
In der JP-OS 54-16.766 wird eine Wärmeübertrageroberfläche mit großen und kleinen Porenöffnungen vorgeschlagen, wobei die Poren so angeordnet sind, daß sich alle großen Poren auf einer Seite des Rohres und alle kleinen Poren auf der anderen Seite des Rohres befinden. Ein derartiges Rohr ist für den horizontalen Einbau in einen Rohrbündelapparat vorgesehen. Der Einbau muß jedoch so erfolgen, daß die großen Poren nach oben und die kleinen Poren nach unten gerichtet sind. Die Flüssigkeit wird dann durch die kleinen Poren eingesaugt, der Dampf nach oben durch die großen Poren ausgestoßen. Ein derartiger Einbau in einer vorgegebenen Orientierung ist jedoch bei einer Großserienfertigung von Wärmeübertragern nicht durchführbar, da die Rohre üblicherweise durch einen Einwalzvorgang mit dem Apparat verbunden werden und bei diesem Einwalzvorgang das Rohr um ein unkontrollierbares Winkelmaß um seine Achse rotiert. Ferner ist zu berücksichtigen, daß bei diesem Rohrkonzept aus strömungstechnischen Gründen die Kanäle ein sehr großes Volumen besitzen müssen. Dies bedingt nachteilig hohe Rohrgewichte und eine große Schichtdicke der Außenstruktur. Letztgenanntes führt zu einem kleinen inneren Rohrquerschnitt und somit zu unerwünscht hohem Druckabfall des rohrseitig strömenden Mediums.
US 5.597.039 (bzw. US-PS 5.896.660) beschreibt ein Verdampferrohr mit umgebogenen Rippenspitzen, wobei die Rippenspitzen vor dem Umbiegen mit Kerben versehen werden. Hierbei haben jeweils benachbarte Kerben einer Rippe unterschiedliche Form und/oder Größe, so daß ein System von unterschiedlichen Porenöffnungen entsteht. Als entscheidend wird dabei angesehen, daß unmittelbar benachbarte Öffnungen unterschiedlich groß sind. Je nach Betriebszustand, ausgedrückt durch die Heizflächenbelastung, wird die für den Betriebszustand günstigste Porensorte aktiviert sein. Die vielen unterschiedlichen Poren dienen dazu, dem Rohr über einen weiten Bereich von Betriebszuständen gute Verdampfungseigenschaften zu verleihen. Die jeweils nicht aktiven Poren tragen jedoch nicht zum Verdampfungsprozeß bei. Sie reduzieren hingegen die Dichte der aktiven Blasenkeimstellen und können damit die Wärmeübertragungseigenschaften des Rohres sogar verschlechtern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeaustauscherrohr der genannten Art mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeübertragung bei Verdampfung von Stoffen auf der Rohraussenseite zu erzeugen. Die Wärmeübertragungseigenschaften sollen auf die Eigenschaften des zu verdampfenden Stoffs sowie auf den Betriebszustand anpassbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Größe einer einzelnen Pore ist exakt definierbar und messtechnisch erfassbar. Aufgrund des Herstellungsverfahrens und bedingt durch Toleranzen in Material und Werkzeug haben zwei beliebig gewählte Poren praktisch nie die gleiche Form und Größe. Die Porengröße unterliegt statistischen Schwankungen. Es ist deshalb sinnvoll, die Poren entsprechend ihrer Größe in Größenklassen einzuteilen, wobei sich die Poren mit einer endlichen Verteilungsbreite um Häufigkeitsmaxima gruppieren. Unterschiedlich große Poren im Sinne der Erfindung sollen dann vorliegen, wenn sich im Häufigkeitsdiagramm nach Fig. 5 die Abszissenwerte benachbarter Maxima der Häufigkeitsverteilung um mindestens 50% des zur kleinsten Porenklasse gehörenden Abszissenwerts unterscheiden.
Zur messtechnischen Bestimmung von Porengröße und -häufigkeitsverteilung wird beispielsweise ein geeignetes Bildverarbeitungssystem, bestehend aus optischer Bilderfassungeinheit und digitaler Auswertungseinheit, benutzt. Die Rohroberfläche wird fotografisch erfaßt und das Bild in Graustufen sortiert. Durch geeignete Wahl einer Grauwertschwelle wird das Bild der Rohroberfläche in Porenbereiche und Bereiche metallischer Oberfläche zerlegt. Die Porenbereiche werden dann geometrisch vermessen und digital ausgewertet. In Figur 5 ist die mittels eines derartigen Systems an einem erfindungsgemäßen Rohrmuster ermittelte Häufigkeitsverteilung der Porengröße dargestellt (vgl. das später behandelte Zahlenbeispiel). Die Porengröße ist durch die Fläche der Porenöffnung, gemessen in µm2, charakterisiert. Man erkennt im Histogramm zwei Maxima. Die Klasse der kleinen Poren gruppiert sich um das Maximum bei einer Porenfläche Ak, die Klasse der großen Poren gruppiert sich um das Maximum bei einer Porenfläche Ag. Die Werte Ag und Ak können damit jeweils als die mittlere Porengröße der beiden Porenklassen interpretiert werden. Das Häufigkeitsverhältnis Nk/Ng (Anzahl Nk der kleinen Poren zur Anzahl Ng der großen Poren) wird mit m bezeichnet.
Gemäß der Erfindung werden die zwischen den Rippen befindlichen Kanäle durch Material der oberen Rippenbereiche im wesentlichen verschlossen, wobei die so entstehenden Hohlräume durch Poren mit dem umgebenden Raum verbunden sind. Diese Poren sind so gestaltet, daß sie in typischerweise zwei Größenklassen eingeteilt werden können. Nach einem regelmäßigen, sich wiederholenden Schema folgen entlang der Kanäle auf jeweils eine bestimmte Anzahl kleiner Poren eine oder mehrere große Poren. Durch diese Struktur wird eine gerichtete Strömung in den Kanälen erzeugt. Flüssigkeit wird durch die kleinen Poren mit Unterstützung des Kapillardrucks eingezogen und benetzt die Kanalwände, wodurch dünne Filme erzeugt werden. Der Dampf sammelt sich im Zentrum des Kanals an und entweicht an den Stellen mit dem geringsten Kapillardruck.
Dies sind die in bestimmten Abständen angeordneten großen Poren. Größenverhältnis Ag/Ak und Häufigkeitsverteilung m der Poren sind so gewählt, dass der Dampf entweichen kann, ohne dass zu viel Flüssigkeit in die Kanäle eindringt und diese flutet, wodurch die wärmetechnisch sehr effektive Dünnschichtverdampfung zum Erliegen käme. Andererseits müssen die Dampfporen groß genug gewählt werden, dass der Dampf nicht in den Poren zurückgestaut wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 4. Insbes. Anspruch 4 ist auf das Verhältnis Fk/Fg gerichtet.
Für das Verhältnis der gesamten Öffnungsflächen Fk aller kleinen Poren zur gesamten Öffnungsfläche Fg aller großer Poren gilt:
Figure 00070001
Das Verhältnis der gesamten Öffnungsflächen muß auf die Eigenschaften des verwendeten Mediums am Betriebspunkt abgestimmt sein. Hierbei ist bei der Auslegung der Porengeometrie insbesondere zu berücksichtigen, daß dieses Verhältnis proportional zur Quadratwurzel aus dem Dichteverhältnis von Dampf ρD und Flüssigkeit ρFI sein sollte: Fk Fg ∼ ρD ρFl
Damit ist die Porenstruktur an die Eigenschaften des verwendeten Stoffs sowie den Betriebszustand, insbesondere die Drucklage, anpassbar.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres.
Ausgehend von dem Verfahren nach der US-PS 5.896.660 gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Kerbung durch am Umfang der Kerbscheibe angeordnete große und kleine Zähne bewirkt wird; die gekerbten Rippenspitzen werden durch radialen Druck bis auf das Niveau der Kerbung gestaucht.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kerbscheibe am Umfang in regelmäßiger Anordnung kleine und große Zähne aufweist, wobei jeweils auf eine bestimmte Anzahl kleiner Zähne ein großer Zahn oder mehrere große Zähne folgen und wobei das Verhältnis der Anzahl kleiner Zähne zur Anzahl großer Zähne m = 12:1 bis 1:5 beträgt; auf die Kerbscheibe folgt eine Stauchrolle.
(Das Verhältnis ist naturgemäß identisch mit m = Nk/Ng.)
Die Ansprüche 7 bis 12 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1
schematisch die Oberfläche eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit zwei Porenklassen,
Figur 2
eine Vorrichtung zur Herstellung des Wärmeaustauschrohres,
Figur 3
den Teilausschnitt einer Kerbscheibe,
Figur 4
schematisch die gerichtete Dampfströmung entlang eines Rippenkanals,
Figur 5
beispielhaft die Häufigkeitsverteilung von großen und kleinen Poren,
Figur 6
den Wärmeübergangskoeffizienten auf der Rohraußenseite als Funktion der Heizflächenbelastung für drei unterschiedlich gestaltete Porensysteme.
Das integral gewalzte Rippenrohr 1 nach Figuren 1 und 2 weist auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufende Rippen 2 auf, zwischen denen eine Nut 3 gebildet ist. Material der Rippenspitzen 2' ist derart verlagert, dass die Rippenzwischenräume unter Ausbildung von Kanälen 4 bis auf große Poren 5 (Fläche Ag) und kleine Poren 6 (Fläche Ak) geschlossen werden. Die Kanäle 4 laufen mit im wesentlichen gleichförmigem Querschnitt um.
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Rippenrohres 1 erfolgt durch einen Walzvorgang (vgl. US-PSen 1.865.575 / 3.327.512) mittels der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung.
Es wird eine Vorrichtung verwendet, die aus n = 3 Werkzeughaltern 7 besteht, in die jeweils ein Walzwerkzeug 8 und mindestens eine nachgeschaltete Kerbscheibe 9 und eine Stauchrolle 10 integriert sind (in Figur 2 ist nur ein Werkzeughalter 7 dargestellt. Es können aber beispielsweise vier oder mehr Werkzeughalter 7 verwendet werden). Die Werkzeughalter 7 sind jeweils um α = 360 °/n versetzt am Umfang des Rippenrohres angeordnet. Die Werkzeughalter 7 sind radial zustellbar.
Sie sind ihrerseits in einem ortsfesten (nicht dargestellten) Walzkopf angeordnet (nach einer anderen Variante wird das Rohr bei sich drehendem Walzkopf lediglich axial vorgeschoben).
Das in Pfeilrichtung in die Vorrichtung einlaufende Glattrohr 1' wird durch die am Umfang angeordneten, angetriebenen Walzwerkzeuge 8 in Drehung versetzt, wobei die Achsen der Walzwerkzeuge 8 schräg zur Rohrachse verlaufen. Die Walzwerkzeuge 8 bestehen in an sich bekannter Weise aus mehreren nebeneinander angeordneten Walzscheiben 11, deren Durchmesser in Pfeilrichtung ansteigt. Die zentrisch angeordneten Walzwerkzeuge 8 formen die schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen 2 aus der Rohrwandung des Glattrohres 1', wobei das Glattrohr 1' hier durch einen Walzdom 12 unterstützt wird.
Die Rippenspitzen 2' werden mittels der Kerbscheibe 9 gekerbt, die gemäß Figur 3 in regelmäßiger Ordnung am Umfang verteilt große und kleine Zähne 13 bzw. 14 aufweist. Bei der in Figur 3 dargestellten Kerbscheibe 9 folgt auf jeweils drei gleichartige kleine Zähne 14 ein großer Zahn 13.
Abschließend erfolgt das Stauchen der gekerbten Rippenspitzen durch die Stauchrolle 10, wodurch zwei Porenklassen, nämlich die großen Poren 5 und die kleinen Poren 6,entstehen. Die großen Poren 5 werden dabei an den Stellen gebildet, an denen die großen Zähne 13 der Kerbscheibe 9 ihren Abdruck hinterlassen haben.
In Figur 3 sind zusätzlich die Breite b an der Spitze der kleinen Zähne 14, die Breite B an der Spitze der großen Zähne 13 eingetragen sowie der Flankenwinkel β angedeutet.
Bringt man die Rohraußenfläche mit einer zu verdampfenden Flüssigkeit in Kontakt (vgl. Fig. 4), dann wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Kanäle 4 und der Poren 5, 6 erreicht, dass die Kanalwände 15 von einem Flüssigkeitsfilm 16 benetzt werden.
Der Phasenwechsel von flüssig nach dampfförmig geschieht dann nicht durch Blasenverdampfung, sondern durch Dünnschichtverdampfung an den Kanalwänden 15. In diesem Fall hat das Porensystem zwei verschiedene Aufgaben zu erfüllen. Die Flüssigkeit muss zunächst in die unter der äußeren Rohroberfläche liegenden Kanäle 4 hineintransportiert werden. Nach der Verdampfung muss der entstandene Dampf 17 nach außen entweichen können.
Damit der Verdampfungsvorgang aufrechterhalten werden kann, müssen die gleichen Mengen Flüssigkeit und Dampf 17 in zueinander entgegengesetzten Richtungen durch die Poren 5,6 transportiert werden. Andernfalls werden die Kanäle 4 entweder mit Flüssigkeit überflutet oder sie trocknen aus. In beiden Fällen wird der Verdampfungsvorgang stark beeinträchtigt oder kommt in den Kanälen 4 zum Erliegen.
Um den erzeugten Dampf 17 aus den Kanälen 4 transportieren zu können, muß in den Kanälen 4 ein höherer Druck herrschen als im Außenraum. Dieser Überdruck wird entsprechend der Dampfdruckkurve des zu verdampfenden Mediums durch die Übertemperatur der Rohrwand eingestellt.
Üblicherweise werden Flüssigkeiten verwendet, die den Rohrwerkstoff gut benetzen. Eine derartige Flüssigkeit kann aufgrund des Kapillareffekts durch die Poren 5, 6 in der äußeren Rohroberfläche gegen einen Überdruck in die Kanäle 4 eindringen. In jeder Pore 5, 6 bildet sich ein Flüssigkeitsmeniskus, an dessen gekrümmter Oberfläche aufgrund der Oberflächenspannung eine Diskontinuität des Drucks entsteht. Dieser Druckunterschied wird Kapillardruck pk genannt und ist für kugelförmig gekrümmte Flüssikeitsoberflächen durch folgenden Zusammenhang bestimmt: Pk = 2·σ r
In dieser Gleichung bedeuten σ die Oberflächenspannung und r den Krümmungsradius der Meniskusoberfläche. Der Krümmungsradius r hängt vom Kontaktwinkel Θ und der Porenform ab. Für Poren 5, 6 mit kreisförmigem Querschnitt und Porenradius Rp gilt: Pk = 2·σ·cosΘ Rp
Für Poren 5, 6 mit nicht kreisförmigem Querschnitt lassen sich ähnliche Zusammenhänge ableiten. Man erkennt, daß sich der größte Kapillardruck an den Poren 6 mit kleinstem Radius einstellen kann. Die Flüssigkeit dringt also durch die kleinen Poren 6 in den Kanal 4 ein, bildet an den Kanalwänden 15 einen dünnen Film 16 und verdampft unter Wärmezufuhr. Der Dampf 17 entweicht durch die größeren Poren 5, da an diesen der Kapillardruck geringer ist. Es bildet sich also eine von den kleinen Poren 6 hin zu den großen Poren 5 gerichtete Strömung aus. Dies ist in Figur 4 schematisch dargestellt.
Damit ausreichend Flüssigkeit in die Kanäle 4 hineintransportiert werden kann, muss eine ausreichende Menge an möglichst kleinen Poren 6 zur Verfügung gestellt werden. Gleichzeitig müssen die großen Poren 5 so dimensioniert werden, daß der Dampf 17 ausreichend schnell entweichen kann und die Kanäle 4 nicht austrocknen. Die Größe und Häufigkeit der Dampfporen 5 im Verhältnis zu den kleineren Flüssigkeitsporen 6 sind deshalb äußerst kritische Größen.
Es kann sich als zweckmäßig erweisen, mehr als zwei Größenklassen von Poren zu verwenden. Hierbei dringt die Flüssigkeit immer durch die Poren der kleinsten Klasse in den Kanal ein, während der Dampf durch die größeren entweicht.
Zahlenbeispiel:
Der Einfluss der Gestaltung des Porensystems auf die Leistungsfähigkeit des Rohres 1, ausgedrückt durch den Wärmeübergangskoeffizienten auf der Rohraußenseite in Abhängigkeit der Heizflächenbelastung, soll anhand von drei unterschiedlich gestalteten Porensystemen aufgezeigt werden.
Die schraubenartig umlaufenden Kanäle 4 weisen eine Teilung von 0,5 mm und eine Höhe von insges. 0,75 mm auf. Der Außendurchmesser des Rohres 1 beträgt ca.19 mm.
Die geometrischen Daten der verwendeten Kerbscheiben 9 sind in Tabelle 1 zusammengefasst; eine schematische Darstellung einer solchen Kerbscheibe 9 zeigt Figur 3. Je größer die Breite B an der Spitze der großen Zähne 13 ist, desto größer die ist die Porenfläche der großen Poren 5.
Nr. Kerbteilung t Flankenwinkel β Breite b Breite B Häufigkeits-verhältnis m
1 0,50 mm 25° 0,20 - -
2 0,50 mm 25° 0,20 0,40 8:1
3 0,50 mm 25° 0,20 0,60 8:1
Die Wirkung auf den äußeren Wärmeübergangskoeffizienten in Abhängigkeit der Heizflächenbelastung ist exemplarisch für das Kältemittel R-22 bei 14,4 °C Sättigungstemperatur in Figur 6 dargestellt.
Im Vergleich zu einer Kerbscheibe 9 mit gleichbleibender Zahnbreite (siehe Nr. 1), d.h. Poren mit gleicher Größe, erhält man bei Kerbscheibe Nr. 2 eine Verbesserung des Wärmeübergangs um ca. 30 %.
In Figur 5 ist die an dem erfindungsgemäßen Rohrmuster ermittelte Häufigkeitsverteilung der Porengröße dargestellt. Die Klasse der kleinen Poren 6 gruppiert sich um das Maximum bei einer Porenfläche von ca. Ak = 30000 µm2, die Klasse der großen Poren 5 gruppiert sich um das Maximum bei einer Porenfläche von ca. Ag = 75000 µm2.
Vergrößert man die Dampfporen 5 weiter, wie bei Kerbscheibe Nr. 3, so erhält man gegenüber den gleichmäßigen Poren einen um 25 bis 45 % verringerten Wärmeübergangskoeffizienten auf der Rohraußenseite. In diesem Fall sind die Dampfporen 5 zu groß, die Kanäle 4 werden mit Flüssigkeit geflutet und die Dünnfilmverdampfung bricht zusammen.
Es zeigt sich, dass die Abmessungen der Poren 5, 6 sowie die Häufigkeit der größeren Dampfporen 5 entscheidenden Einfluss auf die Funktion und damit die Leistungsfähigkeit der Struktur haben.
Die vorliegenden Beobachtungen ergeben, dass weniger die Kanalgröße, sondern vielmehr die Porengröße für die Funktion und damit den Wärmeübergang maßgebend sind. Durch die fehlende Aufweitung der Kanäle (vgl. JP-OS 63-172.892, dortige Figur 5 und 7) werden jeweils benachbarte Kanäle nicht in negativer Weise beeinflusst.
Die US-PS 4.729.155 bezieht sich auf nebeneinander liegende Kanäle, die durch kleinere Queröffnungen miteinander verbunden sind. Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auf abgeschlossene Kanäle, in denen eine gerichtete Strömung vorliegt, wie oben beschrieben. Querverbindungen zwischen den Kanälen führen zu einer Störung der gerichteten Strömung und sind daher für dieses Konzept nicht brauchbar.

Claims (12)

  1. Metallisches Wärmeaustauschrohr, insbes. zur Verdampfung von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohraußenseite, mit auf der Rohraußenseite ring- oder schraubenlinienförmig umlaufenden, integralen Rippen (2), die unter Ausbildung im wesentlichen abgeschlossener Kanäle (4) verformt sind,
    wobei die Kanäle (4) mit im Wesentlichen gleichförmigem Querschnitt umlaufen und nach außen abwechselnd durch Poren (5, 6) mit mindestens zwei unterschiedlichen Größen geöffnet sind,
    gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    a) das reziproke Verhältnis der mittleren Porenfläche Ak (6) der kleinsten Porenklasse zur mittleren Porenfläche Ag (5) der nächstgrößeren Porenklasse beträgt: Ag/Ak = 1,5 bis 4;
    b) das Häufigkeitsverhältnis m = Anzahl Nk der Poren (6) der kleinsten Porenklasse zur Anzahl Ng der Poren (5) der nächstgrößeren Porenklasse beträgt: m = Nk Ng 12:1 bis 1:5.
  2. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ag/Ak = 2 bis 3 und m = Nk Ng = 9:1 bis 1:3 betragen.
  3. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Porenklassen aufweist.
  4. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der gesamten Öffnungsfläche Fk aller kleinen Poren (6) zur gesamten Öffnungsfläche Fg aller großen Poren (5) auf die Eigenschaften des verwendeten Mediums abgestimmt ist durch: Fk Fg ∼ ρD ρFl ; mit
    Figure 00170001
    und ρD = Dichte des Dampfes und ρ Fl = Dichte der Flüssigkeit.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschrohres mit auf der Außenseite schraubenlinienförmig umlaufenden, integralen Rippen (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, bei dem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
    a) Auf der äußeren Oberfläche eines Glattrohres (1') werden schraubenlinienförmig verlaufende Rippen (2) herausgewalzt, indem das Rippenmaterial durch Verdrängen von Material aus der Rohrwandung nach außen mittels eines Walzvorgangs gewonnen wird und das entstehende Rippenrohr (1) durch die Walzkräfte in Drehung versetzt und/oder entsprechend den entstehenden Rippen (2) vorgeschoben wird, wobei die Rippen (2) mit ansteigender Höhe aus dem sonst unverformten Glattrohr (1') ausgeformt werden,
    b) das Glattrohr (1') wird durch einen darinliegenden Walzdom (12) abgestützt,
    c) nach dem Herausformen der Rippen (2) werden die Rippenspitzen (2') durch eine Kerbscheibe (9) gekerbt, gekennzeichnet durch:
    c') die Kerbung wird durch am Umfang der Kerbscheibe (9) angeordnete große und kleine Zähne (13, 14) bewirkt,
    d) die gekerbten Rippenspitzen (2') werden durch radialen Druck bis auf das Niveau der Kerbung gestaucht.
  6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5 zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 mit folgenden Merkmalen:
    a) Am Umfang des Rippenrohres (1) sind mindestens zwei gegeneinander versetzt und in einem ortsfesten Walzkopf angeordnete, radial zustellbare Werkzeughalter (7) vorgesehen,
    b) die Werkzeughalter (7) weisen jeweils ein aus mehreren Walzscheiben (11) bestehendes, angetriebenes Walzwerkzeug (8) mit schräg zur Rohrachse liegender Achse auf,
    c) wobei die Walzscheiben (11) einen zunehmenden Durchmesser aufweisen,
    d) in mindestens einem Werkzeughalter (7) ist dem Walzwerkzeug (8) eine Kerbscheibe (9) nachgeschaltet,
    gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
    d') die Kerbscheibe (9) weist am Umfang in regelmäßiger Anordnung große und kleine Zähne (13, 14) auf, wobei jeweils auf eine bestimmte Anzahl kleiner Zähne (14) ein großer Zahn (13) oder mehrere große Zähne (13) folgen und wobei das Verhältnis der Anzahl kleiner Zähne (14) zur Anzahl großer Zähne (13) m = 12:1 bis 1:5 beträgt, wobei durch die Zähne (13, 14) das Verhältnis Ag/Ak zwischen 1,5 und 4 festgelegt wird,
    e) auf die Kerbscheibe (9) folgt eine Stauchrolle (10).
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis m = 9:1 bis 1:3 beträgt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerbscheibe (9) 8 bis 25 Zähne (13, 14) pro cm Umfang aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei trapezförmiger Ausbildung der Zähne (13, 14) das Verhältnis der Breite B der Spitze eines großen Zahns (13) zur Breite b der Spitze eines kleinen Zahns (14) B/b = 1,2 bis 4 beträgt.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis B/b = 1,5 bis 3 beträgt.
  11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerbscheibe (9) gerade verzahnt ist.
  12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerbscheibe (9) schräg verzahnt ist.
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