EP1830151B1 - Strukturiertes Wärmeaustauscherrohr und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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EP1830151B1
EP1830151B1 EP07002793A EP07002793A EP1830151B1 EP 1830151 B1 EP1830151 B1 EP 1830151B1 EP 07002793 A EP07002793 A EP 07002793A EP 07002793 A EP07002793 A EP 07002793A EP 1830151 B1 EP1830151 B1 EP 1830151B1
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EP
European Patent Office
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tube
rolling
ribs
mandrel
channels
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EP07002793A
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English (en)
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EP1830151A1 (de
Inventor
Markus Revermann
Jean Dr. El Hajal
Andreas Dr. Beutler
Andreas Schwitalla
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Wieland Werke AG
Original Assignee
Wieland Werke AG
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
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    • H01P1/20Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/203Strip line filters
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/40Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only inside the tubular element
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21CMANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06Manufacture of metal sheets, bars, wire, tubes or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • B21C37/15Making tubes of special shape; Making tube fittings
    • B21C37/20Making 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
    • B21C37/207Making 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F1/10Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
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    • HELECTRICITY
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    • H01P3/00Waveguides; Transmission lines of the waveguide type
    • H01P3/02Waveguides; Transmission lines of the waveguide type with two longitudinal conductors
    • H01P3/08Microstrips; Strip lines
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P7/00Resonators of the waveguide type
    • H01P7/08Strip line resonators

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger tube having at least one region structured on the inside of the tube and a method for the production thereof.
  • Heat transfer occurs in many areas of refrigeration and air conditioning technology as well as in process and energy technology. For heat transfer tube bundle heat exchangers are often used in these areas. In many applications, a liquid flows on the inner side of the pipe, which is cooled or heated depending on the direction of the heat flow. The heat is released or withdrawn from the medium located on the tube outside.
  • One or both sides structured heat exchanger tubes for tube bundle heat exchangers usually have at least one structured area and smooth end pieces and possibly smooth spacers.
  • the smooth end or intermediate pieces limit the structured areas. So that the tube can be easily installed in the tube bundle heat exchanger, the outer diameter of the structured areas should not be greater than the outer Diameter of the smooth end and intermediate pieces.
  • Integrally rolled finned tubes are understood to mean finned tubes in which the fins have been formed from the material of the wall of a smooth tube.
  • finned tubes on the inside of the tube have a multiplicity of axially parallel or helically encircling ribs which increase the internal surface and improve the heat transfer coefficient on the inside of the tube.
  • the finned tubes On the outside, have annular or helical circumferential ribs.
  • the paraxial or helically encircling inner ribs can be provided with grooves, as in the document DE 101 56 374 C1 is described. It is important that the dimensions of the inner and outer structures of the finned tube can be adjusted independently of one another by the use of profiled mandrels disclosed therein to produce the inner fins and grooves. This allows the structures on the outside and inside to be adapted to the respective requirements and thus the tube can be designed.
  • the object of the present invention is to develop internal structures of heat exchanger tubes of the aforementioned type so that a comparison with already known pipes, a further increase in performance is achieved.
  • the weight proportion of the inner structure should not be higher than the total weight of the tube than with conventional, helical inner ribs of constant cross-section. Furthermore, a greater increase in pressure loss should be avoided.
  • the dimensions of the inner and the outer structure of the finned tube should be independently adjustable.
  • the invention is based on the consideration that in a heat exchanger tube separated by parallel primary grooves inner ribs are crossed by secondary grooves.
  • This internal structure is crossed by Tertiärnuten running at a pitch angle ⁇ 3, measured against the tube axis.
  • ⁇ 1, ⁇ 2 and ⁇ 3 it is common to always name the acute angles with respect to the pipe axis.
  • a crossed inner structure is formed by an opposite rotation of the secondary and tertiary grooves. Consequently, in the same direction circumferential secondary and tertiary grooves, the angles ⁇ 2 and ⁇ 3 are different in magnitude.
  • the secondary and tertiary grooves may differ in at least one of the following features: notch depth T, pitch P, notch opening angle ⁇ .
  • the depth T of the secondary and tertiary grooves is measured from the tip of the inner fin in the radial direction.
  • the pitch P is the shortest distance between adjacent parallel grooves created by the same mandrel and is a measure of the rib pitch.
  • the groove opening angle ⁇ is the angle of the grooves present on the profiled mandrel, with which the secondary or tertiary grooves of the internal ribbing be generated.
  • the particular advantage is that the introduction of the Tertiärnuten an inner structure of single notched inner ribs with a helical superstructure arises. As a result, additional fluid is forced through the fluid flowing through the tube, which leads to a further increase in the internal heat transfer. This increase in performance exceeds the influence of increasing pressure loss as a result of vortex formation. It will be appreciated that the addition of tertiary grooves does not increase the weight fraction of the internal structure by merely displacing the material over the total weight of the tube. Thus, the weight fraction of the inner structure of the total weight of the tube is not higher than in conventional, helical inner ribs of constant cross-section.
  • the area structured on the inside of the pipe can differ in pitch P2 of the secondary grooves and pitch P3 of the tertiary grooves.
  • the helical superstructure is configured. It is further preferred that the pitch P2 of the secondary grooves is smaller than the pitch P3 of the tertiary grooves.
  • the secondary grooves are closer together than the tertiary grooves, whereby the effect on the vortex formation can be adjusted according to the fluid used and in particular its viscosity.
  • the region structured on the inside of the pipe can differ in the groove opening angle ⁇ 2 of the secondary grooves and ⁇ 3 of the tertiary grooves. This influences in particular the slopes of the rib flanks structured by the secondary and tertiary grooves.
  • the pitch angle of the flanks substantially influences the flow behavior of the fluid passed during operation.
  • the region structured on the inside of the pipe can differ in the notch depth T2 of the secondary grooves and T3 of the tertiary grooves.
  • the notch depth T2 of Secondary grooves are smaller than the notch depth T3 of the tertiary grooves.
  • the invention is based on the consideration that in order to produce a structured heat exchanger tube with the proposed tertiary grooves in the inner grooves provided with secondary grooves, the rolling tool for forming the outer ribs is constructed in at least three spaced-apart roll disk packages. These rolling disk packages produce helically encircling outer ribs and at the same time provide for the advancement of the pipe required for structuring.
  • the inner structure is formed by three differently profiled mandrels. The first mandrel supports the tube in the forming area under the first roll disk package and initially forms helical circumferential or axially parallel inner ribs, these inner ribs initially having a constant cross-section.
  • the second mandrel supports the tube in the forming area below the second larger diameter roll disk package and shapes the secondary grooves into the previously formed helical or paraxial ribs.
  • the third rolling mandrel generates the tertiary grooves in the previously produced inner structure consisting of the single-notched ribs under the third rolling disk package.
  • the depths of the secondary and tertiary grooves are determined essentially by the choice of the diameter of the three mandrels.
  • an integer multiple of the pitch of the outer ribs can be set as the spacing of the deformation regions.
  • the outer diameter of the second rolling mandrel can be selected smaller than the outer diameter of the first rolling mandrel.
  • the outer diameter of the third rolling mandrel can be selected smaller than the outer diameter of the second rolling mandrel. In this diameter gradation of the mandrels of the embossing process is ensured in the radial direction.
  • the depths T2 and T3 of the secondary and tertiary grooves can be adjusted by selecting the diameter of the mandrels and by selecting the diameter of the respective largest rolling disks of the three rolling tools. This indicates that the entire material flow on the inside and outside of the tube is to be optimized by the corresponding use of the external rolling tools and the inner mandrels.
  • the integrally rolled finned tube 1 has, on the outside of the tube, continuous external ribs 6 running around the circumference in a helical continuous manner.
  • the production of the finned tube according to the invention is carried out by a rolling process by means of in Fig. 1 shown rolling device.
  • n 3 or 4 tool holders 80, in each of which at least three spaced-apart rolling tools with rolling disks 50, 60 and 70 are integrated.
  • Fig. 1 For reasons of clarity, only one tool holder 80 is shown.
  • the axis of a tool holder 80 is simultaneously the axis of the three associated rolling tools 50, 60 and 70, which runs obliquely to the tube axis.
  • the tool holders 80 are each arranged offset by 360 ° / n on the circumference of the finned tube 1.
  • the tool holders 80 are radially deliverable with respect to the tube. They are in turn arranged in a stationary, not shown rolling head. The rolling head is fixed in the skeleton of the rolling device.
  • the rolling tools 50, 60 and 70 each consist of a plurality of juxtaposed rolling disks whose diameter increases in the rolling direction R.
  • the rolling disks of the second rolling tool 60 thus have a larger diameter than the rolling disks of the first rolling tool 50, the rolling disks of the third rolling tool 70 in turn have a larger diameter than the Rolling disks of the second rolling tool 60.
  • the mandrels 10, 20 and 30 are attached to the free end of a roll mandrel 40 and rotatably mounted to each other.
  • the mandrel bar 40 is attached at its other end to the skeleton of the rolling apparatus.
  • the mandrels 10, 20 and 30 are to be positioned in the working area of the rolling tools 50, 60 and 70.
  • the rolling mandrel rod 40 must be at least as long as the finned tube 1 to be produced.
  • the smooth tube 7 is pushed almost completely over the mandrels 10, 20 and 30 onto the rolling mandrel rod 40 when the rolling tools 50, 60 and 70 are not supplied. Only the part of the smooth tube 7, which is to form the first smooth end piece in the finished finned tube 1, is not pushed over the rolling mandrels 10, 20 and 30.
  • the circumferentially arranged, rotating rolling tools 50, 60 and 70 are delivered radially to the smooth tube 7 and brought into engagement therewith.
  • the smooth tube 7 is thereby rotated. Since the axis of the rolling tools 50, 60 and 70 is inclined to the tube axis, form the rolling tools 50, 60 and 70 helically encircling outer ribs 6 from the tube wall of the smooth tube 7 and simultaneously push the resulting finned tube 1 according to the pitch of the helically encircling outer ribs 6 in Rolling direction R before.
  • the outer ribs 6 preferably run around like a multi-start thread. The distance between the centers of two adjacent outer ribs 6 measured along the tube axis is referred to as rib division.
  • the distances between the three rolling tools 50, 60 and 70 must be adjusted so that the rolling disks of the subsequent rolling tool 60 or 70 engage in the grooves 6c and 6d, respectively, between the ribs 6a and 6a formed by the previous rolling tool 50 and 60, respectively. 6b are. Ideally, these distances are an integer multiple of the pitch of the outer ribs. The following rolling tool 60 or 70 then continues to further form the outer ribs 6a or 6b.
  • the pipe wall is supported by a first profiled rolling mandrel 10, in the forming zone of the second rolling tool 60, the pipe wall is supported by a second profiled rolling mandrel 20 and in the forming zone of the third rolling tool 70, the pipe wall is profiled by the third Walzdorn 30 supports.
  • the axes of the three mandrels 10, 20 and 30 are identical to the axis of the finned tube 1.
  • the mandrels 10, 20 and 30 are profiled differently.
  • the outer diameter of the second rolling mandrel 20 is at most as large as the outer diameter of the first rolling mandrel 10.
  • the outer diameter of the third rolling mandrel 30 is again at most as large as the outer diameter of the second mandrel 20.
  • the outer diameter of the second mandrel 20 is up to 0, 8 mm smaller than the outer diameter of the first rolling mandrel 10
  • the outer diameter of the third rolling mandrel 30 is preferably up to 0.5 mm smaller than the outer diameter of the second mandrel 20.
  • the profile of the mandrels 10, 20 and 30 usually consists of a plurality of trapezoidal grooves 10b, 20b and 30b, which are arranged parallel to each other on the outer surface of the mandrel.
  • the material of the rolling mandrel located between two adjacent grooves 10b, 20b and 30b is referred to as web 10a, 20a or 30a.
  • the webs 10a, 20a or 30a have a substantially trapezoidal cross-section.
  • the opening angle of the grooves are denoted by ⁇ 2 at mandrel 20 and ⁇ 3 at mandrel 30.
  • the grooves 10b and 20b of the first and second mandrels 10 and 20 are usually inclined at an angle of 0 ° to 70 ° to the axis of the mandrel.
  • the grooves 30b of the third rolling mandrel 30 are generally at an angle of 10 ° to 80 °.
  • the angle 0 ° corresponds to the case where the grooves 10b, 20b or 30b are parallel to the axis of the mandrels 10, 20 or 30. If the angle is different from 0 °, the grooves 10b, 20b or 30b are helical. Helical grooves can be left-handed or right-handed oriented. In Fig. 1 In the case where the first rolling mandrel 10 has left-handed grooves 10b, the second and third rolling mandrels 20 and 30 have right-hand grooves 20b and 30b.
  • the inner structure thus created is in Fig.2 illustrated by a schematic partial view.
  • the depth T3 of the Tertiärnuten 5 is greater than the depth T2 of the secondary grooves 4.
  • the twist directions of the secondary 4 and Tertiärnuten 5 differ in magnitude, but not in the direction.
  • Figure 3 is based on a photograph of an inner structure in which the depth T3 of the Tertiärnuten 5 is greater than the depth T2 of the secondary grooves 4, the helix angle of the secondary 4 and 5 Tertiärnuten are the same direction, but they differ in their amount.
  • the corresponding pitch angle ⁇ 1, ⁇ 2 or ⁇ 3 of the mandrels 10, 20 or 30 must be different.
  • the three mandrels 10, 20 and 30 are rotatably mounted to each other.
  • inner ribs 2a which run around the circumference in a continuous helical manner, are formed on the inner surface of the finned tube 1.
  • Primary grooves 3 run between two adjacent inner ribs 2a.
  • the inner ribs 2a According to the shape of the grooves 10b of the first rolling mandrel 10, the inner ribs 2a have a trapezoidal cross-section which initially remains constant along the inner rib 2a.
  • the inner ribs 2a are inclined relative to the tube axis by the same angle ⁇ 1 as the grooves 10b to the axis of the first rolling mandrel 1.
  • the height of the finished structured inner ribs 2 is denoted by H and is usually 0.15-0.60 mm.
  • the inner ribs 2a are pressed onto the second rolling mandrel 20. Since the grooves 20b of the second rolling mandrel 20 at a different angle to the mandrel axis and thus at a different angle to the tube axis than the grooves 10b of the first rolling mandrel 10, meet the inner ribs 2a in sections on a groove 20b or a web 20a of the second rolling mandrel 20th In the sections where an inner rib 2a meets a groove 20b, the material of the inner rib 2a is pressed into the groove 20b.
  • the rib material is deformed and are parallel to each other secondary grooves 4, which extend continuously over the circumference, embossed into the inner ribs.
  • the secondary grooves 4 have a groove opening angle which corresponds to the opening angle ⁇ 2 of the second rolling mandrel.
  • the distance of the secondary grooves 4 is referred to as pitch P2.
  • the secondary grooves 4 According to the shape of the webs 20a of the second rolling mandrel 20, the secondary grooves 4 have a trapezoidal cross-section.
  • Secondary grooves 4, which are embossed by the same web 20a in different inner ribs, are arranged in alignment with each other.
  • the angle which the secondary grooves 4 form with the tube axis is equal to the angle ⁇ 2 which the grooves 20 b of the second rolling mandrel 20 enclose with the axis of the second rolling mandrel 20.
  • the single-notched inner ribs 2b are pressed onto the third mandrel 30. Since the geometry of the third rolling mandrel 30 differs from the geometries of the first two mandrels 10 and 20, the single-notched ribs 2b abut in portions a groove 30b or a land 30a of the third rolling mandrel 30. In the sections where the single-notched inner rib 2b encounters a web 30a, the material of the single-notched inner rib 2b is deformed and there are formed parallel Tertiärnuten 5, which extend continuously over the circumference, embossed into the single-notched inner ribs 2b.
  • the Tertiärnuten 5 have a groove opening angle corresponding to the opening angle ⁇ 3 of the third rolling mandrel 30.
  • the distance of the tertiary grooves 5 is referred to as pitch P3.
  • the tertiary grooves 5 have a trapezoidal cross-section. Due to the division of the third mandrel 30, which is greater than the pitch of the first two mandrels 10 and 20, formed by the Tertiärnuten 5 a helical superstructure.
  • the angle formed by the tertiary grooves 5 with the tube axis is equal to the angle ⁇ 3.
  • the depths T2 and T3 of the secondary and tertiary grooves 4 and 5 are measured from the tip of the inner fin 2 in the radial direction.
  • the depths T2 and T3 of the secondary and tertiary grooves 4 and 5 can be varied: the smaller the difference in outer diameter between two adjacent roll mandrels 10 and 20 or 20 and 30, the greater is the notch depth of the generated grooves 4 or 5 of the subsequent roll mandrel 20 or 30.
  • a change in the outside diameter of one of the three mandrels 10, 20 or 30 has not only one Changing the notch depth T2 or T3 of the secondary or Tertiärnuten 4 or 5 result, but usually also causes a change in the height of the outer ribs 6.
  • this effect can be compensated by modifying the structure of the rolling tools 50, 60 and 70.
  • the diameters of the last rolling disks in one of the rolling tools 50, 60 and 70 can be adapted for this purpose.
  • the depth T2 of the secondary grooves 4 should be at least 20% of the height H of the inner fins 2
  • the depth of the Tertiärnuten T3 should be at least 20% of the height H.
  • T3 is greater than T2.
  • Fig. 4 schematically shows a section through the internal structure of Fig. 3 along the line XX.
  • the height ratios between inner ribs 2, primary 3, secondary 4 and tertiary grooves 5 are clearly visible here.
  • the inner structure of the finned tube 1 is provided with additional edges. If liquid flows on the inside of the pipe, additional eddies are created in the liquid at these edges, which improve the heat transfer to the pipe wall.
  • the Tertiärnuten 5 creates a helical superstructure, which creates additional vortex in the liquid flow.
  • the description of the manufacturing method according to the invention shows that, due to the multiplicity of tool parameters selectable in this method, the Dimensions of the outer and inner structure can be adjusted independently of each other within wide ranges.
  • the division of the rolling tool of the three spaced rolling tools 50, 60 and 70 allows the depths T2 and T3 of the secondary 4 and tertiary grooves 5 to vary without simultaneously changing the height of the outer ribs 6.
  • Double-sided structured finned tubes for refrigeration and air conditioning are often made of copper or cupronickel. Since in these metals the pure price of the material accounts for a not inconsiderable share of the total cost of the finned tube, it is advantageous that, given a tube diameter, the weight of the tube is as small as possible.
  • the proportion by weight of the internal structure in the total weight is in today commercially available finned tubes depending on the height of the internal structure and thus depending on the performance of 10% to 20%.
  • Fig. 5 shows a diagram that documents the performance advantage of the internal structure according to the invention. Plotted is the improvement of the internal heat transfer of the internal structure of the invention over the only single notched inner structure on the Reynolds number with flow of water.
  • the inner rib height is about 0.3 mm for both tubes.
  • the geometry of the first and second mandrel used is identical for both internal structures.
  • the finned tube with the double-notched inner structure has an advantage of internal heat transfer in the Reynolds range of 20,000 to 60,000 of 8% to 20%.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeaustauscherrohr mit mindestens einem auf der Rohrinnenseite strukturierten Bereich und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Wärmeübertragung tritt in vielen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik sowie in der Prozess- und Energietechnik auf. Zur Wärmeübertragung werden in diesen Gebieten häufig Rohrbündelwärmeaustauscher eingesetzt. In vielen Anwendungen strömt hierbei auf der Rohrinnenseite eine Flüssigkeit, die abhängig von der Richtung des Wärmestroms abgekühlt oder erwärmt wird. Die Wärme wird an das sich auf der Rohraußenseite befindende Medium abgegeben oder diesem entzogen.
  • Es ist allgemein bekannt, dass in Rohrbündelwärmeaustauschern anstelle von Glattrohren strukturierte Rohre eingesetzt werden. Durch die Strukturen wird der Wärmedurchgang verbessert. Die Wärmestromdichte wird dadurch erhöht und der Wärmeaustauscher kann kompakter gebaut werden. Alternativ kann die Wärmestromdichte beibehalten und die treibende Temperaturdifferenz erniedrigt werden, wodurch eine energieeffizientere Wärmeübertragung möglich ist.
  • Ein- oder beidseitig strukturierte Wärmeaustauscherrohre für Rohrbündelwärmeaustauscher besitzen üblicherweise mindestens einen strukturierten Bereich sowie glatte Endstücke und eventuell glatte Zwischenstücke. Die glatten End- oder Zwischenstücke begrenzen die strukturierten Bereiche. Damit das Rohr problemlos in den Rohrbündelwärmeaustauscher eingebaut werden kann, sollte der äußere Durchmesser der strukturierten Bereiche nicht größer sein als der äußere Durchmesser der glatten End- und Zwischenstücke.
  • Als strukturierte Wärmeaustauscherrohre werden häufig integral gewalzte Rippenrohre verwendet. Unter integral gewalzten Rippenrohren werden berippte Rohre verstanden, bei denen die Rippen aus dem Material der Wandung eines Glattrohres geformt wurden. In vielen Fällen besitzen Rippenrohre auf der Rohrinnenseite eine Vielzahl von achsparallelen oder schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen, die die innere Oberfläche vergrößern und den Wärmeübergangskoeffizient auf der Rohrinnenseite verbessern. Auf ihrer Außenseite besitzen die Rippenrohre ring- oder schraubenförmig umlaufende Rippen.
  • In der Vergangenheit wurden viele Möglichkeiten entwickelt, je nach Anwendung den Wärmeübergang auf der Außenseite von integral gewalzten Rippenrohren weiter zu steigern, indem die Rippen auf der Rohraußenseite mit weiteren Strukturmerkmalen versehen werden. Wie beispielsweise aus der Druckschrift US 5,775,411 bekannt, wird bei Kondensation von Kältemitteln auf der Rohraußenseite der Wärmeübergangskoeffizient deutlich erhöht, wenn die Rippenflanken mit zusätzlichen konvexen Kanten versehen werden. Bei Verdampfung von Kältemitteln auf der Rohraußenseite hat es sich als leistungssteigernd erwiesen, die zwischen den Rippen befindlichen Kanäle teilweise zu verschließen, so dass Hohlräume entstehen, die durch Poren oder Schlitze mit der Umgebung verbunden sind. Wie aus zahlereichen Druckschriften bereits bekannt, werden derartige, 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 C2 , US 4,577,381 ), und durch ein Kerben und Stauchen der Rippe ( US 4,660,630 , EP 0 713 072 B1 , US 4,216,826 ) erzeugt.
  • Die vorstehend genannten Leistungsverbesserungen auf der Rohraußenseite haben zur Folge, dass der Hauptanteil des gesamten Wärmeübergangswiderstands auf die Rohrinnenseite verschoben wird. Dieser Effekt tritt insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten auf der Rohrinnenseite, wie beispielsweise beim Teillastbetrieb, auf. Um den gesamten Wärmeübergangswiderstand signifikant zu reduzieren, ist es notwendig, den Wärmeübergangskoeffizient auf der Rohrinnenseite weiter zu erhöhen.
  • Um den Wärmeübergang der Rohrinnenseite zu erhöhen, können die achsparallelen oder schraubenlinienförmig umlaufenden Innenrippen mit Nuten versehen werden, wie es in der Druckschrift DE 101 56 374 C1 beschrieben ist. Hierbei ist von Bedeutung, dass durch die dort offen gelegte Verwendung von profilierten Walzdornen zur Erzeugung der Innenrippen und Nuten die Abmessungen der Innen- und der Außenstruktur des Rippenrohres voneinander unabhängig eingestellt werden können. Dadurch können die Strukturen auf der Außen- und Innenseite auf die jeweiligen Anforderungen angepasst und so das Rohr gestaltet werden.
  • Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Innenstrukturen von Wärmeaustauscherrohren der vorgenannten Art so weiterzubilden, dass eine gegenüber bereits bekannten Rohre eine weitere Leistungssteigerung erzielt wird.
  • Dabei sollte der Gewichtsanteil der Innenstruktur am Gesamtgewicht des Rohres nicht höher sein als bei herkömmlichen, schraubenlinienförmigen Innenrippen konstanten Querschnitts. Des Weiteren sollte eine größere Steigerung des Druckverlustes vermieden werden. Dabei sollten die Abmessungen der Innen- und der Außenstruktur des Rippenrohres voneinander unabhängig einstellbar sein.
  • Die Erfindung wird bezüglich eines Wärmeaustauscherrohrs durch die Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung eines Wärmeaustauscherrohrs durch die Merkmale des Anspruchs 5 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die Erfindung schließt ein Wärmeaustauscherrohr mit mindestens einem auf der Rohrinnenseite strukturierten Bereich ein, das folgende Merkmale aufweist:
    1. a) auf der Rohrinnenseite verlaufen integrale Innenrippen der Höhe H achsparallel oder schraubenlinienförmig kontinuierlich über den Umfang unter einem Steigungswinkel β1, gemessen gegen die Rohrachse, unter Bildung von Primärnuten,
    2. b) die Innenrippen werden über den gesamten Rohrumfang von zueinander beabstandeten Sekundärnuten gekreuzt, die parallel zueinander unter einem Steigungswinkel β2, gemessen gegen die Rohrachse, eine Kerbtiefe T2 und einen Nutöffnungswinkel α2 aufweisen,
    3. c) die Innenrippen und die Sekundärnuten werden über den gesamten Rohrumfang von zueinander beabstandeten Tertiärnuten gekreuzt, die parallel zueinander unter einem Steigungswinkel β3, gemessen gegen die Rohrachse, kontinuierlich über den Umfang verlaufen und eine Kerbtiefe T3 und einen Nutöffnungswinkel α3 aufweisen.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass sich bei einem Wärmeaustauscherrohr die durch parallel verlaufende Primärnuten getrennten Innenrippen durch Sekundärnuten gekreuzt werden. Diese Innenstruktur wird von unter einem Steigungswinkel β3 verlaufenden Tertiärnuten, gemessen gegen die Rohrachse, gekreuzt. Bei den Steigungswinkeln β1, β2 und β3 ist es üblich, immer die spitzen Winkel bezüglich der Rohrachse zu benennen. In diesem Sinne folgt beispielsweise bei betragsmäßig gleichen Winkeln β2 und β3, dass eine gekreuzte Innenstruktur durch einen gegensinnigen Umlauf der Sekundär- und Tertiärnuten ausgebildet wird. Bei gleichsinnig umlaufenden Sekundär- und Tertiärnuten sind folglich die Winkel β2 und β3 im Betrag unterschiedlich. Zusätzlich können sich die Sekundär- und Tertiärnuten in mindestens einem der folgenden Merkmale unterscheiden: Kerbtiefe T, Pitch P, Nutöffnungswinkel α.
  • Die Tiefe T der Sekundär- und Tertiärnuten wird von der Spitze der Innenrippe aus in radialer Richtung gemessen. Der Pitch P ist der kürzeste Abstand benachbarter, paralleler Nuten, die von dem gleichen Dorn erzeugt werden und ist ein Maß für die Rippenteilung. Der Nutöffnungswinkel α ist der Winkel der am profilierten Dorn vorhandenen Nuten, womit die Sekundär- bzw. Tertiärnuten der Innenberippung erzeugt werden.
  • Der besondere Vorteil besteht darin, dass durch das Einbringen der Tertiärnuten eine Innenstruktur aus einfach gekerbten Innenrippen mit einer helixförmigen Überstruktur entsteht. Dadurch werden dem durch das Rohr strömenden Fluid zusätzliche Wirbel aufgezwungen, was zu einer weiteren Steigerung des inneren Wärmeübergangs führt. Diese Leistungssteigerung übersteigt den Einfluss des als Folge der Wirbelbildung zunehmenden Druckverlusts. Es ist einsichtig, dass durch das Hinzufügen von Tertiärnuten der Gewichtsanteil der Innenstruktur durch das bloße verdrängen des Materials am Gesamtgewicht des Rohres nicht erhöht wird. Damit ist der Gewichtsanteil der Innenstruktur am Gesamtgewicht des Rohres nicht höher als bei herkömmlichen, schraubenlinienförmigen Innenrippen konstanten Querschnitts.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann sich der auf der Rohrinnenseite strukturierte Bereich im Pitch P2 der Sekundärnuten und Pitch P3 der Tertiärnuten unterscheiden. Hierdurch wird die helixförmige Überstruktur ausgestaltet. Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Pitch P2 der Sekundärnuten kleiner als der Pitch P3 der Tertiärnuten ist. Damit liegen die Sekundärnuten enger zusammen als die Tertiärnuten, wodurch die Auswirkung auf die Wirbelbildung entsprechend dem verwendeten Fluid und insbesondere dessen Viskosität angepasst werden können.
  • In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung können sich der auf der Rohrinnenseite strukturierte Bereich im Nutöffnungswinkel α2 der Sekundärnuten und α3 der Tertiärnuten unterscheiden. Damit werden insbesondere die Steigungen der durch die Sekundär- und Tertiärnuten strukturierten Rippenflanken beeinflusst. Der Steigungswinkel der Flanken beeinflusst wesentlich das Fließverhalten des im Betrieb hindurch geführten Fluids.
  • Vorzugsweise kann sich der auf der Rohrinnenseite strukturierte Bereich in der Kerbtiefe T2 der Sekundärnuten und T3 der Tertiärnuten unterscheiden. Dabei kann bei dem auf der Rohrinnenseite strukturierten Bereich die Kerbtiefe T2 der Sekundärnuten kleiner sein als die Kerbtiefe T3 der Tertiärnuten. Hierdurch findet in erster Linie eine Überprägung der durch die Sekundärnuten gekerbten integralen Innenrippen statt.
  • Vorteilhafterweise können auf der Rohraußenseite integrale Außenrippen achsparallel oder schraubenlinienförmig umlaufen. Für diesen Fall schließt ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Wärmeaustauscherrohres ein, mit auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufenden und auf der Rohrinnenseite achsparallel oder schraubenlinienförmig verlaufenden, integralen, d.h. aus der Rohrwandung herausgearbeiteten Außen rippen und Innenrippen, die von Sekundärnuten und von Tertiärnuten gekreuzt und gekerbt werden, bei dem folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:
    1. a) auf der Außenseite eines Glattrohres werden in einem ersten Umformbereich schraubenlinienförmig verlaufende Außenrippen geformt, indem das Rippenmaterial durch Verdrängen von Material aus der Rohrwandung mittels eines ersten Walzschritts gewonnen wird und das entstehende Rippenrohr durch die Walzkräfte in Drehung versetzt und entsprechend den entstehenden schraubenlinienförmigen Rippen vorgeschoben wird, wobei die Außenrippen mit ansteigender Höhe aus dem sonst unverformten Glattrohr ausgeformt werden,
    2. b) die Rohrwandung wird im ersten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden ersten Walzdorn abgestützt, der drehbar gelagert und profiliert ist, wodurch die Innenrippen ausgebildet werden,
    3. c) in einem zweiten Walzschritt werden die Außenrippen in einem vom ersten Umformbereich beabstandeten zweiten Umformbereich mit weiter ansteigender Höhe ausgebildet und die Innenrippen mit Sekundärnuten versehen, wobei die Rohrwandung im zweiten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden zweiten Walzdorn abgestützt wird, der ebenfalls drehbar und profiliert ausgebildet ist, dessen Profilierung sich aber von der Profilierung des ersten Walzdorns hinsichtlich des Betrages oder der Orientierung des Drallwinkels unterscheidet.
    4. d) in einem dritten Walzschritt werden die Außenrippen in einem vom zweiten Umformbereich beabstandeten dritten Umformbereich mit weiter ansteigender Höhe ausgebildet und die Innenrippen mit Tertiärnuten versehen, wobei die Rohrwandung im dritten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden dritten Walzdorn abgestützt wird, der ebenfalls drehbar und profiliert ausgebildet ist, und sich dessen Profilierung aber von der Profilierung des ersten Walzdorns und des zweiten Walzdorns hinsichtlich des Betrages und/oder der Orientierung des Drallwinkels unterscheidet.
  • Die Erfindung geht bezüglich des Herstellungsverfahrens von der Überlegung aus, dass zur Erzeugung eines strukturierten Wärmeaustauscherrohres mit den vorgeschlagenen Tertiärnuten in den mit Sekundärnuten versehenden Innenrippen das Walzwerkzeug zur Formung der Außenrippen in mindestens drei voneinander beabstandeten Walzscheibenpaketen aufgebaut wird. Diese Walzscheibenpakete erzeugen schraubenförmig umlaufende Außenrippen und sorgen gleichzeitig für den zur Strukturierung benötigten Vorschub des Rohres. Die Innenstruktur wird durch drei unterschiedlich profilierte Walzdorne geformt. Der erste Walzdorn unterstützt das Rohr im Umformbereich unter dem ersten Walzscheibenpaket und formt zunächst schraubenlinienförmig umlaufende oder achsparallele Innenrippen, wobei diese Innenrippen zunächst einen konstanten Querschnitt aufweisen. Der zweite Walzdorn unterstützt das Rohr im Umformbereich unter dem zweiten Walzscheibenpaket größeren Durchmessers und formt die Sekundärnuten in die zuvor geformten schraubenförmig umlaufenden bzw. achsparallelen Rippen. Der dritte Walzdorn erzeugt unter dem dritten Walzscheibenpaket die Tertiärnuten in die zuvor erzeugte Innenstruktur bestehend aus den einfach gekerbten Rippen. Die Tiefen der Sekundär- und Tertiärnuten werden im Wesentlichen durch die Wahl der Durchmesser der drei Walzdorne festgelegt.
  • Zu den bereits bezüglich der Wärmeaustauscherrohre genannten Vorteilen der Erfindung treten durch das Herstellungsverfahren weitere Vorteile hinzu, indem die mit den unterschiedlichen Walzwerkzeugen erzielten Abmessungen die Innen- und die Außenstruktur des Rippenrohres voneinander unabhängig einstellbar sind. So können für einen optimalen Wärmedurchgang die Innen- und die Außenstruktur optimal aufeinander abgeglichen werden.
  • Bevorzugt kann als Abstand der Umformbereiche im Wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung der Außenrippen eingestellt werden.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns kleiner als der Außendurchmesser des ersten Walzdorns gewählt werden. Vorteilhafterweise kann auch der Außendurchmesser des dritten Walzdorns kleiner als der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns gewählt werden. Bei dieser Durchmesserabstufung der Walzdorne wird der Prägevorgang in radialer Richtung gewährleistet.
  • In weiterer bevorzugter Ausführungsform können die Tiefen T2 und T3 der Sekundär- und Tertiärnuten durch Wahl der Durchmesser der Walzdorne und durch Wahl der Durchmesser der jeweils größten Walzscheiben der drei Walzwerkzeuge eingestellt werden. Dies bringt zu Ausdruck, dass der gesamte Materialfluss auf der Rohrinnen- und Rohraußenseite durch den entsprechenden Einsatz der äußeren Walzwerkzeuge und der inneren Walzdorne zu optimieren ist.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • Fig. 1
    schematisch die Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres mittels dreier Dorne mit unterschiedlichem Drall und unterschiedlicher Teilung,
    Fig. 2
    eine schematische Teilansicht der erzeugten Innenstruktur,
    Fig. 3
    ein Foto einer Innenstruktur,
    Fig. 4
    schematisch einen Teil des Schnitts durch die Innenstruktur von Fig. 3 entlang der Linie X-X, und
    Fig. 5
    ein Diagramm, das die Verbesserung des inneren Wärmeübergangs gegenüber den einfach gekerbten Innenrippen über die Reynoldszahl zeigt. Des Weiteren ist das Verhältnis der Druckverluste von der neuen Innenstruktur gegenüber der Innenstruktur ohne Tertiärnuten mit dargestellt.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Das integral gewalzte Rippenrohr 1 weist auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig kontinuierlich über dem Umfang umlaufende Außenrippen 6 auf. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Rippenrohres erfolgt durch einen Walzvorgang mittels der in Fig. 1 dargestellten Walzvorrichtung.
  • Es wird eine Vorrichtung verwendet, die aus n = 3 oder 4 Werkzeughaltern 80 besteht, in die jeweils mindestens drei von einander beabstandete Walzwerkzeuge mit Walzscheiben 50, 60 und 70 integriert sind. In Fig. 1 ist aus Gründen der Übersicht nur ein Werkzeughalter 80 dargestellt.
  • Die Achse eines Werkzeughalters 80 ist gleichzeitig die Achse der drei zugehörigen Walzwerkzeuge 50, 60 und 70, wobei diese schräg zur Rohrachse verläuft. Die Werkzeughalter 80 sind jeweils um 360°/n versetzt am Umfang des Rippenrohres 1 angeordnet. Die Werkzeughalter 80 sind in Bezug auf das Rohr radial zustellbar. Sie sind ihrerseits in einem ortsfesten, nicht dargestellten Walzkopf angeordnet. Der Walzkopf ist im Grundgerüst der Walzvorrichtung fixiert. Die Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 bestehen jeweils aus mehreren nebeneinander angeordneten Walzscheiben, deren Durchmesser in Walzrichtung R ansteigt. Die Walzscheiben des zweiten Walzwerkzeugs 60 haben folglich einen größeren Durchmesser als die Walzscheiben des ersten Walzwerkzeugs 50, die Walzscheiben des dritten Walzwerkzeugs 70 haben wiederum einen größeren Durchmesser als die Walzscheiben des zweiten Walzwerkzeugs 60.
  • Ebenfalls Bestandteil der Vorrichtung sind drei profilierte Walzdorne 10, 20 und 30, mit deren Hilfe die Innenstruktur des Rohres erzeugt wird. Die Walzdorne 10, 20 und 30 sind am freien Ende einer Walzdornstange 40 angebracht und zueinander drehbar gelagert. Die Walzdornstange 40 ist an ihrem anderen Ende am Grundgerüst der Walzvorrichtung befestigt. Die Walzdorne 10, 20 und 30 sind im Arbeitsbereich der Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 zu positionieren. Die Walzdornstange 40 muss mindestens so lang sein wie das herzustellende Rippenrohr 1. Vor der Bearbeitung wird das Glattrohr 7 bei nicht zugestellten Walzwerkzeugen 50, 60 und 70 nahezu vollständig über die Walzdorne 10, 20 und 30 auf die Walzdornstange 40 geschoben. Lediglich der Teil des Glattrohres 7, der beim fertigen Rippenrohr 1 das erste glatte Endstück bilden soll, wird nicht über die Walzdorne 10, 20 und 30 geschoben.
  • Zur Bearbeitung des Rohres werden die am Umfang angeordneten, rotierenden Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 auf das Glattrohr 7 radial zugestellt und mit diesem in Eingriff gebracht. Das Glattrohr 7 wird dadurch in Drehung versetzt. Da die Achse der Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 zur Rohrachse schräg gestellt ist, formen die Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 schraubenlinienförmig umlaufenden Außenrippen 6 aus der Rohrwandung des Glattrohrs 7 und schieben gleichzeitig das entstehende Rippenrohr 1 entsprechend der Steigung der schraubenlinienförmig umlaufenden Außenrippen 6 in Walzrichtung R vor. Die Außenrippen 6 laufen vorzugsweise wie ein mehrgängiges Gewinde um. Der längs zur Rohrachse gemessene Abstand der Mitten zweier benachbarter Außenrippen 6 wird als Rippenteilung bezeichnet. Die Abstände zwischen den drei Walzwerkzeugen 50, 60 und 70 müssen so angepasst sein, dass die Walzscheiben des nachfolgenden Walzwerkzeugs 60 bzw. 70 in die Nuten 6c bzw. 6d greifen, die zwischen den vom vorherigen Walzwerkzeug 50 bzw. 60 geformten Rippen 6a bzw. 6b sind. Idealerweise sind diese Abstände ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung der Außenrippen. Das folgende Walzwerkzeug 60 oder 70 führt dann die weitere Formung der Außenrippen 6a oder 6b fort.
  • In der Umformzone des ersten Walzwerkzeugs 50 wird die Rohrwandung durch einen ersten profilierten Walzdorn 10 unterstützt, in der Umformzone des zweiten Walzwerkzeugs 60 wird die Rohrwandung durch einen zweiten profilierten Walzdorn 20 unterstützt und in der Umformzone des dritten Walzwerkzeugs 70 wird die Rohrwandung durch den dritten profilierten Walzdorn 30 unterstützt. Die Achsen der drei Walzdorne 10, 20 und 30 sind identisch mit der Achse des Rippenrohres 1. Die Walzdorne 10, 20 und 30 sind unterschiedlich profiliert. Der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns 20 ist höchstens so groß wie der Außendurchmesser des ersten Walzdorns 10. Der Außendurchmesser des dritten Walzdorns 30 ist wiederum höchstens so groß wie der Außendurchmesser des zweiten Dorns 20. Typischerweise ist der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns 20 um bis zu 0,8 mm kleiner als der Außendurchmesser des ersten Walzdorns 10, und der Außendurchmesser des dritten Walzdorns 30 ist bevorzugt bis zu 0,5 mm kleiner als der Außendurchmesser des zweiten Walzdorn 20. Das Profil der Walzdorne 10, 20 und 30 besteht üblicherweise aus einer Vielzahl von trapezförmigen Nuten 10b, 20b und 30b, die parallel zueinander auf der Außenfläche des Dorns angeordnet sind. Das zwischen zwei benachbarten Nuten 10b, 20b und 30b befindliche Material des Walzdorns wird als Steg 10a, 20a oder 30a bezeichnet. Die Stege 10a, 20a oder 30a besitzen einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt. Die Öffnungswinkel der Nuten werden bei Dorn 20 mit α2 und an Dorn 30 mit α3 bezeichnet. Die Nuten 10b und 20b der ersten und zweiten Walzdorne 10 und 20 verlaufen üblicherweise unter einem Winkel von 0° bis 70° zur Achse des Dorns geneigt. Die Nuten 30b des dritten Walzdorns 30 verlaufen in der Regel unter einem Winkel von 10° bis 80°. Beim ersten Walzdorn 10 wird dieser Winkel mit β1, beim zweiten Walzdorn 20 mit β2 und beim dritten Walzdorn 30 wird dieser Winkel mit β3 bezeichnet. Der Winkel 0° entspricht dem Fall, dass die Nuten 10b, 20b oder 30b parallel zur Achse der Walzdorne 10, 20 oder 30 verlaufen. Ist der Winkel von 0° verschieden, verlaufen die Nuten 10b, 20b oder 30b schraubenlinienförmig. Schraubenlinienförmig verlaufende Nuten können linksgängig oder rechtsgängig orientiert sein. In Fig. 1 ist der Fall dargestellt, dass der erste Walzdorn 10 linksgängige Nuten 10b, der zweite und der dritte Walzdorn 20 und 30 rechtsgängige Nuten 20b und 30b aufweisen.
  • Die damit erzeugte Innenstruktur ist in Fig.2 anhand einer schematischen Teilansicht dargestellt. Dabei ist die Tiefe T3 der Tertiärnuten 5 größer als die Tiefe T2 der Sekundärnuten 4. Die Drallrichtungen der Sekundär- 4 und Tertiärnuten 5 unterscheiden sich dabei im Betrag, jedoch nicht in der Richtung.
  • In Fig.3 ist anhand einer Fotographie einer Innenstruktur, bei der die Tiefe T3 der Tertiärnuten 5 größer ist als die Tiefe T2 der Sekundärnuten 4, die Drallwinkel der Sekundär- 4 und Tertiärnuten 5 sind dabei gleichsinnig, sie unterscheiden sich aber in ihren Betrag.
  • Für die Walzdorne mit gleichsinniger Orientierung müssen sich die entsprechenden Steigungswinkel β1, β2 oder β3 der Dorne 10, 20 oder 30 unterscheiden. Die drei Walzdorne 10, 20 und 30 sind zueinander drehbar gelagert.
  • Durch die radialen Kräfte des ersten Walzwerkzeugs 50 wird das Material der Rohrwand in die Nuten 10b des ersten Walzdorns 10 gepresst. Dadurch werden schraubenlinienförmig kontinuierlich über den Umfang umlaufende Innenrippen 2a auf der Innenfläche des Rippenrohres 1 geformt. Zwischen zwei benachbarten Innenrippen 2a verlaufen Primärnuten 3. Entsprechend der Form der Nuten 10b des ersten Walzdorns 10 haben die Innenrippen 2a einen trapezförmigen Querschnitt, der zunächst entlang der Innenrippe 2a konstant bleibt. Die Innenrippen 2a sind gegenüber der Rohrachse um den gleichen Winkel β1 geneigt wie die Nuten 10b zur Achse des ersten Walzdorns 1. Die Höhe der fertig strukturierten Innenrippen 2 wird mit H bezeichnet und beträgt üblicherweise 0,15 - 0,60 mm.
  • Durch die radialen Kräfte des zweiten Walzwerkzeugs 60 werden die Innenrippen 2a auf den zweiten Walzdorn 20 gepresst. Da die Nuten 20b des zweiten Walzdorns 20 unter einem anderen Winkel zur Dornachse und damit unter einem anderen Winkel zur Rohrachse verlaufen als die Nuten 10b des ersten Walzdorns 10, treffen die Innenrippen 2a abschnittsweise auf eine Nut 20b oder einen Steg 20a des zweiten Walzdorns 20. In den Abschnitten, in denen eine Innenrippe 2a auf eine Nut 20b trifft, wird das Material der Innenrippe 2a in die Nut 20b gepresst. In den Abschnitten, in denen eine Innenrippe 2a auf einen Steg 20a trifft, wird das Rippenmaterial verformt und es werden parallel zueinander verlaufende Sekundärnuten 4, die kontinuierlich über den Umfang verlaufen, in die Innenrippen eingeprägt. Die Sekundärnuten 4 besitzen einen Nutöffnungswinkel der dem Öffnungswinkel α2 des zweiten Walzdorns entspricht. Der Abstand der Sekundärnuten 4 wird als Pitch P2 bezeichnet. Entsprechend der Form der Stege 20a des zweiten Walzdorns 20 haben die Sekundärnuten 4 einen trapezförmigen Querschnitt. Sekundärnuten 4, die vom selben Steg 20a in unterschiedliche Innenrippen eingeprägt werden, sind zueinander fluchtend angeordnet. Der Winkel, den die Sekundärnuten 4 mit der Rohrachse bilden, ist gleich dem Winkel β2, den die Nuten 20b des zweiten Walzdornes 20 mit der Achse des zweiten Walzdornes 20 einschließen.
  • Durch die radialen Kräfte des dritten Walzwerkzeugs 70 werden die einfach gekerbten Innenrippen 2b auf den dritten Dorn 30 gepresst. Da sich die Geometrie des dritten Walzdorns 30 von den Geometrien der ersten beiden Dorne 10 und 20 unterscheidet, treffen die einfach gekerbten Rippen 2b abschnittsweise auf eine Nut 30b oder einen Steg 30a des dritten Walzdorns 30. In den Abschnitten, in denen die einfach gekerbte Innenrippe 2b auf einen Steg 30a trifft, wird das Material der einfach gekerbten Innenrippe 2b verformt und es werden parallel zueinander verlaufende Tertiärnuten 5 gebildet, die kontinuierlich über den Umfang verlaufen, in die einfach gekerbten Innenrippen 2b eingeprägt. Die Tertiärnuten 5 besitzen einen Nutöffnungswinkel der dem Öffnungswinkel α3 des dritten Walzdorns 30 entspricht. Der Abstand der Tertiärnuten 5 wird als Pitch P3 bezeichnet. Entsprechend der Form der Stege 30a des dritten Walzdorns 30 haben die Tertiärnuten 5 einen trapezförmigen Querschnitt. Aufgrund der Teilung des dritten Dorns 30, die größer ist als die Teilung der ersten beiden Walzdorne 10 und 20, entsteht durch die Tertiärnuten 5 eine helixförmige Überstruktur. Der Winkel, den die Tertiärnuten 5 mit der Rohrachse bilden, ist gleich dem Winkel β3.
  • Die Tiefen T2 und T3 der Sekundär- und Tertiärnuten 4 und 5 werden von der Spitze der Innenrippe 2 aus in radialer Richtung gemessen. Durch geeignete Wahl der Außendurchmesser der Walzdorne 10, 20 und 30, sowie durch geeignete Wahl der Außendurchmesser der jeweils größten Walzscheiben der drei Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 können die Tiefen T2 und T3 der Sekundär- und Tertiärnuten 4 und 5 variiert werden: Je kleiner der Unterschied im Außendurchmesser zwischen zwei benachbarten Walzdornen 10 und 20 oder 20 und 30 ist, desto größer ist die Kerbtiefe der erzeugten Nuten 4 oder 5 des nachfolgenden Walzdorns 20 oder 30. Eine Änderung des Außendurchmessers von einem der drei Walzdorne 10, 20 oder 30 hat jedoch nicht nur eine Veränderung der Kerbtiefe T2 oder T3 der Sekundär- oder Tertiärnuten 4 oder 5 zur Folge, sondern bewirkt üblicherweise auch eine Veränderung der Höhe der Außenrippen 6. Dieser Effekt kann jedoch kompensiert werden, indem man den Aufbau der Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 modifiziert. Insbesondere können hierzu die Durchmesser der letzten Walzscheiben in einem der Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 angepasst werden.
  • Um die Strömung der im Rohr fließenden Flüssigkeit deutlich zu beeinflussen, sollte die Tiefe T2 der Sekundärnuten 4 mindestens 20 % der Höhe H der Innenrippen 2 betragen, die Tiefe der Tertiärnuten T3 sollte mindestens 20 % der Höhe H betragen. Vorzugsweise ist T3 größer als T2.
  • Fig. 4 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Innenstruktur von Fig. 3 entlang der Linie X-X. Die Höhenverhältnisse zwischen Innenrippen 2, Primär- 3, Sekundär- 4 und Tertiärnuten 5 sind hier deutlich zu erkennen.
    Durch die Sekundärnuten 4 wird die Innenstruktur des Rippenrohres 1 mit zusätzlichen Kanten versehen. Strömt Flüssigkeit auf der Innenseite des Rohres, dann entstehen an diesen Kanten zusätzliche Wirbel in der Flüssigkeit, die die Wärmeübertragung auf die Rohrwand verbessern. Durch die Tertiärnuten 5 entsteht eine helixförmige Überstruktur, wodurch in der Flüssigkeitsströmung zusätzliche Wirbel entstehen. Durch diese zusätzlichen Wirbel wird eine weitere Steigerung des inneren Wärmeübergangs erreicht.
  • Die Beschreibung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zeigt, dass durch die Vielzahl der bei diesem Verfahren wählbaren Werkzeugparameter die Abmessungen der Außen- und Innenstruktur in weiten Bereichen voneinander unabhängig eingestellt werden können. Insbesondere ermöglicht die Aufteilung des Walzwerkzeugs der drei beabstandeten Walzwerkzeuge 50, 60 und 70 die Tiefen T2 und T3 der Sekundär- 4 und Tertiärnuten 5 zu variieren ohne gleichzeitig die Höhe der Außenrippen 6 zu verändern.
  • Beidseitig strukturierte Rippenrohre für die Kälte- und Klimatechnik werden häufig aus Kupfer oder Kupfernickel hergestellt. Da bei diesen Metallen der reine Materialpreis einen nicht unerheblichen Anteil an den Gesamtkosten des Rippenrohres bedingt, ist es vorteilhaft, dass bei gegebenem Rohrdurchmesser das Gewicht des Rohres möglichst gering ist. Der Gewichtsanteil der Innenstruktur am Gesamtgewicht beträgt bei heutzutage kommerziell erhältlichen Rippenrohren je nach Höhe der Innenstruktur und damit je nach Leistungsfähigkeit 10 % bis 20 %. Durch die erfindungsgemäßen Tertiärnuten 5 in den einfach gekerbten Innenrippen von beidseitig strukturierten Rippenrohren 1 kann die Leistungsfähigkeit derartiger Rohre beträchtlich erhöht werden, ohne dass der Gewichtsanteil der Innenstruktur erhöht wird.
  • Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das den Leistungsvorteil der erfindungsgemäßen Innenstruktur dokumentiert. Aufgetragen ist die Verbesserung des inneren Wärmeübergangs der erfindungsgemäßen Innenstruktur gegenüber der nur einfach gekerbten Innenstruktur über die Reynoldszahl bei Strömung von Wasser. Die Innenrippenhöhe beträgt bei beiden Rohren ungefähr 0,3 mm. Die Geometrie des verwendeten ersten und zweiten Dorns ist bei beiden Innenstrukturen identisch. Das Rippenrohr mit der zweifach gekerbten Innenstruktur weist einen Vorteil des inneren Wärmeübergangs im Reynoldsbereich von 20000 bis 60000 von 8 % bis 20 % auf.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Wärmeaustauscherrohr / Rippenrohr
    2
    Innenrippen
    2a
    Innenrippen nach erstem Walzdorn
    2b
    Innenrippen nach zweitem Walzdorn
    3
    Primärnuten
    4
    Sekundärnuten
    5
    Tertiärnuten
    6
    Außenrippen
    6a
    Außenrippen nach erstem Walzwerkzeug
    6b
    Außenrippen nach zweitem Walzwerkzeug
    6c
    Nuten der Außenberippung nach erstem Walzwerkzeug
    6d
    Nuten der Außenberippung nach zweitem Walzwerkzeug
    7
    Glattrohr
    10
    erster Walzdorn
    10a
    Stege des ersten Walzdorns
    10b
    Nuten des ersten Walzdorns
    20
    zweiter Walzdorn
    20a
    Stege des zweiten Walzdorns
    20b
    Nuten des zweiten Walzdorns
    30
    dritter Walzdorn
    30a
    Stege des dritten Walzdorns
    30b
    Nuten des dritten Walzdorns
    40
    Walzdornstange
    50
    erstes Walzwerkzeug mit Walzscheiben
    60
    zweites Walzwerkzeug mit Walzscheiben
    70
    drittes Walzwerkzeug mit Walzscheiben
    80
    Werkzeughalter
    α2
    Nutöffnungswinkel der Sekundärnuten
    α3
    Nutöffnungswinkel der Tertiärnuten
    β1
    Steigungswinkel der Innenrippen
    β2
    Steigungswinkel der Sekundärnuten
    β3
    Steigungswinkel der Tertiärnuten
    H
    Höhe der Innenrippen
    T2
    Kerbtiefe der Sekundärnuten
    T3
    Kerbtiefe der Tertiärnuten
    P
    Teilung der Innennuten
    P2
    Teilung der Sekundärnuten
    P3
    Teilung der Tertiärnuten
    R
    durch Pfeil vorgegebene Walzrichtung

Claims (9)

  1. Beidseitig strukturiertes Wärmeaustauscherrohr (1) mit auf dessen Rohraußenseite achsparallelen oder schraubenlinienförmig umlaufenden integralen Außenrippen (6) und mit einem auf der Rohrinnenseite strukturierten Bereich, mit folgenden Merkmalen:
    a) auf der Rohrinnenseite verlaufen integrale Innenrippen (2) der Höhe H achsparallel oder schraubenlinienförmig kontinuierlich über den Umfang unter einem Steigungswinkel β1, gemessen gegen die Rohrachse, unter Bildung von Primärnuten (3),
    b) die Innenrippen (2) werden über den gesamten Rohrumfang von zueinander beabstandeten Sekundärnuten (4) gekreuzt, die parallel zueinander unter einem Steigungswinkel β2, gemessen gegen die Rohrachse, eine Kerbtiefe T2 und einen Nutöffnungswinkel α2 aufweisen,
    c) die Innenrippen (2) und die Sekundärnuten (4) werden über den gesamten Rohrumfang von zueinander beabstandeten Tertiärnuten (5) gekreuzt, die parallel zueinander unter einem Steigungswinkel β3, gemessen gegen die Rohrachse, kontinuierlich über den Umfang verlaufen und eine Kerbtiefe T3 und einen Nutöffnungswinkel α3 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
    d) der Pitch P2 der Sekundärnuten (4) kleiner als der Pitch P3 der Tertiärnuten (5) ist, wobei durch das Einbringen der Tertiärnuten eine Innenstruktur aus einfach gekerbten Innenrippen mit einer helixförmigen Überstruktur entsteht.
  2. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der auf der Rohrinnenseite strukturierte Bereich im Nutöffnungswinkel α2 der Sekundärnuten (4) und α3 der Tertiärnuten (5) unterscheidet.
  3. Wärmeaustauscherrohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der auf der Rohrinnenseite strukturierte Bereich in der Kerbtiefe T2 der Sekundärnuten (4) und T3 der Tertiärnuten (5) unterscheidet.
  4. Wärmeaustauscherrohr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem auf der Rohrinnenseite strukturierten Bereich die Kerbtiefe T2 der Sekundärnuten (4) kleiner als die Kerbtiefe T3 der Tertiärnuten (5) ist.
  5. Verfahren zur Herstellung eines strukturierten Wärmeaustauscherrohres, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufenden und auf der Rohrinnenseite achsparallel oder schraubenlinienförmig verlaufenden, integralen, d. h. aus der Rohrwandung herausgearbeiteten Außenrippen (6) und Innenrippen (2), die von Sekundärnuten (4) und von Tertiärnuten (5) gekreuzt und gekerbt werden, bei dem folgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:
    a) auf der Außenseite eines Glattrohres (7) werden in einem ersten Umformbereich schraubenlinienförmig verlaufende Außenrippen (6a) geformt, indem das Rippenmaterial durch Verdrängen von Material aus der Rohrwandung mittels eines ersten Walzschritts gewonnen wird und das entstehende Rippenrohr durch die Walzkräfte in Drehung versetzt und entsprechend den entstehenden schraubenlinienförmigen Rippen vorgeschoben wird, wobei die Außenrippen (6a) mit ansteigender Höhe aus dem sonst unverformten Glattrohr ausgeformt werden,
    b) die Rohrwandung wird im ersten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden ersten Walzdorn (10) abgestützt, der drehbar gelagert und profiliert ist, wodurch die Innenrippen (2) ausgebildet werden,
    c) in einem zweiten Walzschritt werden die Außenrippen (6b) in einem vom ersten Umformbereich beabstandeten zweiten Umformbereich mit weiter ansteigender Höhe ausgebildet und die Innenrippen (2) mit Sekundärnuten (4) versehen, wobei die Rohrwandung im zweiten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden zweiten Walzdorn (20) abgestützt wird, der ebenfalls drehbar und profiliert ausgebildet ist, dessen Profilierung sich aber von der Profilierung des ersten Walzdorns (10) hinsichtlich des Betrages oder der Orientierung des Drallwinkels unterscheidet.
    d) in einem dritten Walzschritt werden die Außenrippen (6) in einem vom zweiten Umformbereich beabstandeten dritten Umformbereich mit weiter ansteigender Höhe ausgebildet und die Innenrippen (2) mit Tertiärnuten (5) versehen, wobei die Rohrwandung im dritten Umformbereich durch einen im Rohr liegenden dritten Walzdorn (30) abgestützt wird, der ebenfalls drehbar und profiliert ausgebildet ist, und sich dessen Profilierung aber von der Profilierung des ersten Walzdorns (10) und des zweiten Walzdorns (20) hinsichtlich des Betrages und/oder der Orientierung des Drallwinkels unterscheidet.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Abstand der Umformbereiche im Wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches der Teilung der Außenrippen eingestellt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns (20) kleiner als der Außendurchmesser des ersten Walzdorns (10) gewählt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des dritten Walzdorns (30) kleiner als der Außendurchmesser des zweiten Walzdorns (20) gewählt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefen T2 und T3 der Sekundär- (4) und Tertiärnuten (5) durch Wahl der Durchmesser der Walzdorne (20, 30) und durch Wahl der Durchmesser der jeweils größten Walzscheiben der drei Walzwerkzeuge (50, 60, 70) eingestellt werden.
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