EP2253922B1 - Metallisches Wärmeaustauscherrohr - Google Patents
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- EP2253922B1 EP2253922B1 EP10004200.1A EP10004200A EP2253922B1 EP 2253922 B1 EP2253922 B1 EP 2253922B1 EP 10004200 A EP10004200 A EP 10004200A EP 2253922 B1 EP2253922 B1 EP 2253922B1
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Definitions
- the invention relates to a metallic heat exchanger tube according to the preamble of claim 1.
- a metallic heat exchanger tube is made US 2007/0034361 A1 known.
- Such metallic heat exchanger tubes are used in particular for the condensation of liquids from pure substances or mixtures on the tube outside. Condensation occurs in many areas of refrigeration and air conditioning technology as well as in process and energy technology. Frequently, shell-and-tube heat exchangers are used, in which vapors from pure substances or mixtures are liquefied on the outside of the pipe, thereby heating a brine or water on the inside of the pipe.
- Such apparatuses are referred to as tube bundle condensers or tube bundle liquefiers.
- the heat exchanger tubes for shell and tube 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 shell and tube heat exchanger, the outer diameter of the structured areas must not be greater than the outer diameter of the smooth end and intermediate pieces.
- the standard high performance pipes today are about four times more efficient than smooth pipes of the same diameter.
- ribs are applied to the outer surface of the tube.
- the surface of the tube is primarily increased and thus the condensation intensified.
- the ribs are formed from the wall material of the smooth tube, since then there is an optimal contact between the rib and the tube wall.
- Nippled tubes in which the ribs have been formed from the wall material of a plain tube by means of a forming process are referred to as integrally rolled ribbed tubes.
- the invention has the object of developing a performance-enhanced heat exchanger tube for the condensation of liquids on the outside of the tube with the same tube-side heat transfer and pressure drop and the same production costs.
- the mechanical stability of the tube should not be adversely affected.
- the invention includes a metallic heat exchanger tube having a tube wall and integrally molded ribs on the tube outside which have a rib root, rib flanks and a rib tip, the rib stem projecting substantially radially from the tube wall and the rib flanks provided with additional structural members , which are formed as material projections, which are arranged laterally on the rib side, wherein the material projections have a plurality of boundary surfaces.
- at least one of the boundary surfaces of at least one material projection is convexly curved.
- the present invention relates to structured pipes in which the heat transfer coefficient is intensified on the pipe outside.
- the heat transfer coefficient on the inside usually also needs to be intensified.
- An increase in the heat transfer on the inside of the pipe usually results in an increase in the pipe-side pressure drop.
- the integrally rolled finned tube has a tube wall as well as on the outside of the tube helically encircling ribs.
- the ribs have a ribbed foot, a rib tip and on both sides rib flanks.
- the rib foot is substantially radially from the pipe wall.
- the height of the rib is measured from the pipe wall to the fin tip and is preferably between 0.5 and 1.5 mm.
- the contour of the rib is curved concavely in the radial direction in the region of the rib foot and in the region of the rib flank adjoining the rib base.
- the contour of the rib is convexly curved in the radial direction.
- the convex curvature changes into a concave curvature.
- resulting condensate is pulled away due to surface tension forces. The condensate collects in the area of the concave curvature and forms drops there.
- the side of the rib flanks additional structural elements in the form of material protrusions are formed.
- These material protrusions are formed from material of the upper rib flank by means of a Tool the material lifted and displaced similar to a chip, but is not separated from the rib edge.
- the material projections remain firmly connected to the rib.
- a concave edge is created between the rib flank and the material projection.
- the material projections extend substantially in the axial direction of the rib edge in the space between two ribs.
- the material projections may in particular be arranged approximately at half the height of the ribs. By the material projections, the surface of the tube is increased.
- the axial extent of the material projections is usually slightly smaller than half the width of the space between two ribs.
- the width of the gap between two ribs is about 0.4 mm, thus the axial extent of the material protrusions is less than 0.2 mm.
- the material projections are inventively limited by at least one convex curved surface.
- the convex shape improves the effect of the additional structural elements. Due to the surface tension, the condensate is drawn away from convexly curved surfaces and towards the concave edge at the point of attachment between the material projection and the rib flank. Therefore, the condensate film on the convexly curved boundary surface of the material projection becomes thinner and the thermal resistance becomes lower.
- the material projections are arranged approximately in the region of the rib flank, in which the convexly curved contour of the rib merges into the concavely curved contour. Condensate from the top of the rib and condensate from the material projection meet at the point of attachment and form a drop in the concave-shaped part of the rib.
- the particular advantage is that can be greatly reduced by intensifying the heat transfer on the pipe inside in conjunction with a favorable heat transfer on the pipe outside the size of the condenser. As a result, the production costs of such apparatuses decrease. It is negatively influenced by the inventive solution neither the mechanical stability of a pipe nor the pressure drop.
- the necessary filling quantity of refrigerant which can account for a not inconsiderable share of the total investment costs in the chlorine-free safety refrigerants that are predominantly used today, is decreasing. In the case of the toxic or flammable refrigerants which are normally only used in special cases, the danger potential can be reduced by reducing the filling quantity.
- the local radius of curvature of the convex boundary surface is reduced with increasing distance from the rib flank.
- a local radius of curvature can be defined as the radius of the nodding circle.
- the Schmiege Vietnamese lies in a plane perpendicular to the rib side plane. With an arbitrarily shaped boundary surface, this local radius of curvature changes. If such a surface is covered with a liquid film, pressure gradients arise in the liquid film due to the surface tension and the changing radius of curvature. These pressure gradients pull the fluid away from areas of small radius of curvature and toward areas of great radius of curvature.
- Particularly advantageous embodiments of the material projections are present when the local radius of curvature of its boundary surface with increasing distance from the rib edge gets smaller. The condensate is then pulled away from the areas of the material protrusions, which are remote from the rib flank, particularly efficiently and transported to the rib.
- the convexly curved boundary surface is facing away from the pipe wall boundary surface of a material projection.
- the steam to be condensed can then flow unhindered to this surface.
- the curvature of the boundary surface may be convexly curved in a plane parallel to the rib flank, wherein the curvature of the convex boundary surface in a plane perpendicular to the rib flank is stronger than the curvature of the convex boundary surface in the plane parallel to the rib side. This additionally promotes the transport of the condensate in the lateral direction from the tip of the material projection to the rib.
- the radius of an imaginary circle referred to as the mean radius of curvature of the convex boundary surface, can be determined by measurements at three points.
- the radius of this imaginary circle which lies in a sectional plane perpendicular to the tube circumferential direction and which is defined by the points P1, P2 and P3, be less than 1 mm.
- P1 is the point where the convex boundary surface of the material protrusion adjoins the rib flank
- P3 is the point where the convex boundary surface of the material protrusion is farthest from the rib flank
- P2 is the midpoint between P1 and P3 on the contour line of the convex Boundary surface of the material projection. If this radius of curvature were greater than 1 mm, then the surface tension forces resulting from the commonly used substances, such as refrigerants or hydrocarbons, would not be sufficiently high in gravity relative to the transport of the condensate to influence significantly.
- the convex boundary surface of the material projection in the region of its tip can continue beyond the farthest point of the rib flank point P3 with a convex curvature.
- the tip of the material projection is then usually curved helically. As a result, additional surface for the condensation is obtained in the available space between the ribs with the same rib spacing.
- the material protrusions disposed on the rib flank may be circumferentially spaced. This creates additional edges where condensation takes place. Furthermore, the condensate collecting at the rib flank can flow away in the areas between two material projections to the ribbed foot.
- the material projections arranged on the rib flank can be equidistant in the circumferential direction and spaced at least around their width. As a result, sufficient space for the collecting at the rib side condensate is created to ensure removal.
- Fig. 1 shows a partial perspective view of a rib portion of a heat exchanger tube 1 with three material projections 4. From the outside of the pipe 21, only a part of the circumferential, integrally molded ribs 3 is shown.
- the ribs 3 have a rib foot 31, which attaches to the pipe wall, not shown here, rib flanks 32 and a rib tip 33.
- the rib 3 is substantially radially from the pipe wall.
- the rib flanks 32 are provided with the additional structural elements, which are formed as material projections 4, which attach laterally to the rib flank 32.
- These material projections 4 have a plurality of boundary surfaces 41 and 42.
- the three boundary surfaces 42 of the material projections 4 are convexly curved on the side facing away from the tube wall.
- another boundary surface 42 or a plurality of boundary surfaces 42 may be provided with a convex curvature.
- the remaining, non-convex boundary surfaces 41 can either even or concave.
- the material of the integrally machined material projections 4 originates primarily from the rib flank 32, wherein recesses 34 are formed by a material displacement in the production of the heat exchanger tubes 1.
- Fig. 2 shows a detailed view of a material projection 4 not according to the invention with a convex curved boundary surface 42.
- the remaining non-convex boundary surfaces 41 extend in this case just.
- the condensate precipitating out of the gas phase is carried away due to the surface tension, as a result of which condensate accumulates increasingly in the area of the concave curvature or else on even surface areas.
- the mean radius of curvature RM of the convex boundary surface 42 of an imaginary circle K is defined by the three points P1, P2 and P3.
- This radius RM can be used as a characterizing measure for the expression of the convex surface.
- P1 is the point where the convex boundary surface 42 of the material protrusion 4 abuts the rib flank
- P3 is the point where the convex boundary surface 42 of the material protrusion 4 is farthest from the rib flank
- P2 is the midpoint between P1 and P3
- the average radius of curvature RM is typically in the sub-millimeter range.
- FIG. 3 A further detail view of a material projection 4 with two opposite convex curved boundary surfaces shows Fig. 3 .
- a material projection 4 with two opposite convex curved boundary surfaces.
- all boundary surfaces 42 including the side surfaces 41, have a convex curvature.
- such embodiments are subject to high process requirements.
- Fig. 4 represented material projection 4 with a doubly convex curved boundary surface 42 and flat side surfaces 41 realize.
- the curvature of the convex boundary surface in a plane perpendicular to the rib flank is stronger than the curvature of the convex boundary surface 42 in the plane parallel to the rib flank.
- Such curved surfaces additionally support the condensate drainage towards the rib flank.
- FIG. 5 shows Fig. 5 in a detailed view of a material projection 4 with flat side surfaces 41 and with a beyond the farthest from the rib edge remote point P3 addition continuing.
- the tip SP of the material projection 4 is spirally rolled towards the rib foot.
- additional surface for the condensation is obtained in the available space between the ribs.
- the mean radius of curvature RM of the convex boundary surface 42 of an imaginary circle K is again defined by the points P1, P2 and P3.
- Fig. 6 shows a partial perspective view of the outside of a heat exchanger pipe section 1.
- a further partial perspective view of the inside of a heat exchanger pipe section shows Fig. 7 .
- the ribs 3 are radially from the pipe wall 2 and are connected via the ribbed 31 with this.
- material projections 4 are formed, which attach laterally to the rib edge 32.
- boundary surfaces of the material projections 4 are the from the pipe wall 2 facing away from boundary surfaces 42 convex.
- the remaining non-convex boundary surfaces 41 are in the embodiment according to Fig. 6 just.
- Fig. 6 just.
- the boundary surfaces 41 directed towards the interior of the tube are concave.
- the material of the integrally machined material projections 4 comes primarily from the rib flank 32 and only partially from the area of the rib tip 33, whereby recesses 34 are formed.
- the material projections 4 arranged on the rib flank 32 are equidistant in the circumferential direction U approximately at their width. Opposing material projections adjacent ribs 3 do not touch, since the axial extent of the material projections 4 is chosen smaller than half the width of the gap between two ribs 3.
- Spirally encircling internal ribs 5, which increase the heat transfer to the fluid in the interior of the heat exchanger tube 1 with respect to a smooth tube, are arranged on the inside of the tube 22.
- Fig. 8 shows a cross-section of a heat exchanger pipe section 1.
- On the tube inside 22 are spirally encircling inner ribs 5.
- the ribs 3 on the outside of the tube 21 are arranged in a regular sequence starting from the fin 31 perpendicular to the tube wall 2, the rib tip 33 is slightly flattened.
- the facing away from the pipe wall 2 boundary surfaces 42 of the rib edge 32 attaching material projections 4 are convex, the pipe interior 22 directed towards the boundary surfaces 41 are concave.
- Opposing material projections of adjacent ribs 3 in turn do not touch. As a result, the accumulating condensate sufficient space is created for removal.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein metallisches Wärmeaustauscherrohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. So ein Rohr ist aus
US 2007/0034361 A1 bekannt. - Derartige metallische Wärmeaustauscherrohre werden insbesondere zur Kondensation von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohraußenseite eingesetzt. Kondensation tritt in vielen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik sowie in der Prozess- und Energietechnik auf. Häufig werden Rohrbündelwärmeaustauscher verwendet, in denen Dämpfe von Reinstoffen oder Mischungen auf der Rohraußenseite verflüssigt werden und dabei auf der Rohrinnenseite eine Sole oder Wasser erwärmen. Solche Apparate werden als Rohrbündelkondensatoren oder Rohrbündelverflüssiger bezeichnet.
- Die 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. Die heute üblichen Hochleistungsrohre sind etwa um den Faktor vier leistungsfähiger als glatte Rohre gleichen Durchmessers.
- Zur Erhöhung des Wärmeübergangs bei der Kondensation auf der Rohraußenseite sind verschiedene Maßnahmen bekannt. Häufig werden Rippen auf der Außenoberfläche des Rohres aufgebracht. Dadurch wird primär die Oberfläche des Rohres vergrößert und folglich die Kondensation intensiviert. Für die Wärmeübertragung ist es besonders vorteilhaft, wenn die Rippen aus dem Wandmaterial des Glattrohres geformt werden, da dann ein optimaler Kontakt zwischen Rippe und Rohrwand existiert. Berippte Rohre, bei denen die Rippen mittels eines Umformprozesses aus dem Wandmaterial eines Glattrohres gebildet wurden, werden als integral gewalzte Rippenrohre bezeichnet.
- Es ist Stand der Technik, durch Einbringen von Kerben in die Rippenspitzen, die Oberfläche des Rohres weiter zu vergrößern. Ferner entstehen durch die Kerben zusätzliche Strukturen, die den Kondensationsprozess positiv beeinflussen. Beispiele für Kerben der Rippenspitzen sind aus den Druckschriften
US 3,326,283 undUS 4,660,630 bekannt. - Heute besitzen kommerziell erhältliche Rippenrohre für Verflüssiger auf der Rohraußenseite eine Rippenstruktur mit einer Rippendichte von 30 bis 45 Rippen pro Zoll. Dies entspricht einer Rippenteilung von ca. 0,85 bis 0,56 mm. Derartige Rippenstrukturen sind beispielsweise aus den Druckschriften
DE 44 04 357 C2 ,US 2008/0196776 A1 ,US 2007/0131396 A1 undCN 101004337 A zu entnehmen. Der weiteren Leistungssteigerung durch Erhöhung der Rippendichte sind durch den in Rohrbündelwärmeaustauschern auftretenden Inundationseffekt Grenzen gesetzt: Mit kleiner werdendem Abstand der Rippen wird durch die Kapillarwirkung der Zwischenraum der Rippen mit Kondensat geflutet und das Abfließen des Kondensats durch die kleiner werdenden Kanäle zwischen den Rippen behindert. - Des Weiteren ist bekannt, dass bei Verflüssigerrohren Leistungssteigerungen erzielt werden können, indem man bei gleichbleibender Rippendichte zusätzliche Strukturelemente im Bereich der Rippenflanken zwischen den Rippen einbringt. Solche Strukturen können durch zahnradartige Scheiben an den Rippenflanken geformt werden. Die dabei entstehenden Werkstoffvorsprünge ragen in den Zwischenraum benachbarter Rippen hinein. Ausführungsformen solcher Strukturen finden sich in den Druckschriften
US 2008/0196876 A1 ,US 2007/0131396 A1 undCN 101004337 A . In diesen Druckschriften werden die Werkstoffvorsprünge als Strukturelemente mit ebenen Begrenzungsflächen gezeigt. Die ebenen Begrenzungsflächen sind nachteilhaft, da das gebildete Kondensat auf einer ebenen Fläche keine durch die Oberflächenspannung induzierte Kraft erfährt, die es von der Begrenzungsfläche entfernen würde. Somit bildet sich ein unerwünschter Flüssigkeitsfilm aus, der die Wärmeübertragung nachhaltig behindern kann. - In
US 2007/0034361 A1 wird ein Wärmetauscherrohr für Verdampfung offenbart, bei dem seitlich an den Rippenflanken gekrümmte Werkstoffvorsprünge angebracht sind. Diese Werkstoffvorsprünge haben den Zweck, den Kanal zwischen zwei benachbarten Rippen auf ungefähr halber Rippenhöhe zu unterteilen und so aus einer Struktur mit einfacher Kavität eine Struktur mit Doppelkavität zu formen. Derartige Strukturen mit Kavitäten begünstigen das Blasensieden zwischen den Rippen und somit den Verdampfungsprozess. Im Idealfall erstrecken sich die lateralen Werkstoffvorsprünge von einer Rippe über die gesamte Breite des Kanals bis zur benachbarten Rippe. Damit entsteht eine Struktur, in der Flüssigkeit aufgrund von Kapillarkräften festgehalten wird. Die Flüssigkeit blockiert jedoch freie Oberfläche für die Kondensation von Dampf. Deshalb ist eine solche Struktur nicht als Oberfläche eines Kondensatorrohrs geeignet. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leistungsgesteigertes Wärmeaustauscherrohr zur Kondensation von Flüssigkeiten auf der Rohraußenseite bei gleichem rohrseitigen Wärmeübergang und Druckabfall sowie gleichen Herstellungskosten weiterzubilden. Die mechanische Stabilität des Rohres soll dabei nicht negativ beeinflusst werden.
- Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
- Die Erfindung schließt ein metallisches Wärmeaustauscherrohr ein, mit einer Rohrwand und mit auf der Rohraußenseite umlaufenden, integral ausgeformten Rippen, welche einen Rippenfuß, Rippenflanken und eine Rippenspitze haben, wobei der Rippenfuß im Wesentlichen radial von der Rohrwand absteht und die Rippenflanken mit zusätzlichen Strukturelementen versehen sind, die als Werkstoffvorsprünge ausgebildet sind, die seitlich an der Rippenflanke angeordnet sind, wobei die Werkstoffvorsprünge mehrere Begrenzungsflächen aufweisen. Erfindungsgemäß ist zumindest eine der Begrenzungsflächen mindestens eines Werkstoffvorsprungs konvex gekrümmt.
- 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. Eine Erhöhung des Wärmeübergangs auf der Rohrinnenseite hat üblicherweise eine Steigerung des rohrseitigen Druckabfalls zu Folge.
- Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass das integral gewalzte Rippenrohr eine Rohrwand sowie auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufende Rippen aufweist. Die Rippen besitzen einen Rippenfuß, eine Rippenspitze und auf beiden Seiten Rippenflanken. Der Rippenfuß steht im Wesentlichen radial von der Rohrwand ab. Die Höhe der Rippe wird von der Rohrwand bis zur Rippenspitze gemessen und beträgt vorzugsweise zwischen 0,5 und 1,5 mm. Die Kontur der Rippe ist im Bereich des Rippenfußes sowie im sich an den Rippenfuß anschließenden Bereich der Rippenflanke in Radialrichtung konkav gekrümmt. An der Rippenspitze sowie im sich an die Rippenspitze anschließenden Bereich der Rippenflanke ist die Kontur der Rippe in Radialrichtung konvex gekrümmt. Ungefähr auf halber Rippenhöhe geht die konvexe Krümmung in eine konkave Krümmung über. Im Bereich der konvexen Krümmung wird entstehendes Kondensat aufgrund von Oberflächenspannungskräften weggezogen. Das Kondensat sammelt sich im Bereich der konkaven Krümmung und bildet dort Tropfen.
- Seitlich an den Rippenflanken sind erfindungsgemäß zusätzliche Strukturelemente in Form von Werkstoffvorsprüngen gebildet. Diese Werkstoffvorsprünge werden aus Material der oberen Rippenflanke geformt, indem mittels eines Werkzeugs das Material ähnlich einem Span abgehoben und verlagert, jedoch nicht von der Rippenflanke abgetrennt wird. Die Werkstoffvorsprünge bleiben fest mit der Rippe verbunden. An der Verbindungsstelle entsteht eine konkave Kante zwischen Rippenflanke und Werkstoffvorsprung. Die Werkstoffvorsprünge erstrecken sich im Wesentlichen in Axialrichtung von der Rippenflanke in den Zwischenraum zwischen zwei Rippen. Die Werkstoffvorsprünge können insbesondere ungefähr auf halber Rippenhöhe angeordnet sein. Durch die Werkstoffvorsprünge wird die Oberfläche des Rohres vergrößert.
- Gegenüberliegende Werkstoffvorsprünge benachbarter Rippen sollten sich nicht berühren. Deshalb ist die axiale Erstreckung der Werkstoffvorsprünge im Regelfall etwas kleiner als die halbe Weite des Zwischenraums zwischen zwei Rippen. Beispielsweise beträgt bei Verflüssigerrohren für das Kältemittel R134a oder R123 die Weite des Zwischenraums zwischen zwei Rippen ungefähr 0,4 mm, wodurch folglich die axiale Erstreckung der Werkstoffvorsprünge kleiner als 0,2 mm ist.
- Die Werkstoffvorsprünge sind erfindungsgemäß durch mindestens eine konvex gekrümmte Fläche begrenzt. Durch die konvexe Form wird die Wirkung der zusätzlichen Strukturelemente verbessert. Aufgrund der Oberflächenspannung wird das Kondensat von konvex gekrümmten Flächen weg und zur konkaven Kante an der Ansatzstelle zwischen Werkstoffvorsprung und Rippenflanke hingezogen. Deshalb wird der Kondensatfilm auf der konvex gekrümmten Begrenzungsfläche des Werkstoffvorsprungs dünner und der thermische Widerstand geringer. Die Werkstoffvorsprünge sind ungefähr in dem Bereich der Rippenflanke angeordnet, in dem die konvex gekrümmte Kontur der Rippe in die konkav gekrümmte Kontur übergeht. Kondensat vom oberen Bereich der Rippe und Kondensat vom Werkstoffvorsprung treffen an der Ansatzstelle zusammen und bilden im konkav geformten Teil der Rippe einen Tropfen.
- Bei den in
US 2007/0131396 A1 undUS 2008/0196876 A1 dargestellten seitlich an den Rippenflanken angebrachten Zusatzstrukturen handelt es sich um Elemente mit ebenen Flächen, die solche vorteilhafte Eigenschaften nicht aufweisen. - Der besondere Vorteil besteht darin, dass sich durch eine Intensivierung des Wärmeübergangs auf der Rohrinnenseite in Verbindung mit einem günstigen Wärmeübergang auf der Rohraußenseite die Größe der Verflüssiger stark reduzieren lässt. Hierdurch nehmen die Herstellungskosten solcher Apparate ab. Es wird dabei durch die erfindungsgemäße Lösung weder die mechanische Stabilität eines Rohrs noch der Druckabfall negativ beeinflusst. 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 den im Regelfall nur in speziellen Fällen verwendeten toxischen oder brennbaren Kältemitteln lässt sich durch eine Reduktion der Füllmenge ferner das Gefahrenpotenzial herabsetzen.
- In der Erfindung ist der lokale Krümmungsradius der konvexen Begrenzungsfläche mit zunehmender Entfernung von der Rippenflanke verkleinert. In jedem Punkt der konvexen Begrenzungsfläche kann ein lokaler Krümmungsradius als Radius des Schmiegekreises definiert werden. Der Schmiegekreis liegt dabei in einer senkrecht zur Rippenflanke ausgerichteten Ebene. Bei einer beliebig geformten Begrenzungsfläche ändert sich dieser lokale Krümmungsradius. Wenn eine solche Fläche mit einem Flüssigkeitsfilm belegt ist, dann entstehen im Flüssigkeitsfilm aufgrund der Oberflächenspannung und des sich ändernden Krümmungsradius Druckgradienten. Diese Druckgradienten ziehen die Flüssigkeit von Bereichen mit kleinem Krümmungsradius weg und hin zu Bereichen mit großem Krümmungsradius. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Werkstoffvorsprünge liegen dann vor, wenn der lokale Krümmungsradius ihrer Begrenzungsfläche mit zunehmender Entfernung von der Rippenflanke kleiner wird. Das Kondensat wird dann von den Bereichen der Werkstoffvorsprünge, die von der Rippenflanke entfernt sind, besonders effizient weggezogen und zur Rippe hin transportiert.
- Die konvex gekrümmte Begrenzungsfläche ist die von der Rohrwand abgewandte Begrenzungsfläche eines Werkstoffvorsprungs. Der zu kondensierende Dampf kann dann ungehindert an diese Fläche heranströmen.
- In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann die Krümmung der Begrenzungsfläche auch in einer Ebene parallel zur Rippenflanke konvex gekrümmt sein, wobei die Krümmung der konvexen Begrenzungsfläche in einer Ebene senkrecht zur Rippenflanke stärker ist als die Krümmung der konvexen Begrenzungsfläche in der Ebene parallel zur Rippenflanke. Dadurch wird der Transport des Kondensats in lateraler Richtung von der Spitze des Werkstoffvorsprungs zur Rippe hin zusätzlich begünstigt.
- Der als mittlerer Krümmungsradius der konvexen Begrenzungsfläche bezeichnete Radius eines gedachten Kreises kann durch Messungen an drei Punkten bestimmt werden. In besonders bevorzugter Ausführungsform kann der Radius dieses gedachten Kreises, der in einer Schnittebene senkrecht zur Rohrumfangsrichtung liegt und der durch die Punkte P1, P2 und P3 definiert wird, kleiner als 1 mm sein. P1 ist der Punkt, an dem die konvexe Begrenzungsfläche des Werkstoffvorsprungs an der Rippenflanke angrenzt, P3 ist der Punkt, an dem die konvexe Begrenzungsfläche des Werkstoffvorsprungs am weitesten von der Rippenflanke entfernt ist und P2 ist der Mittelpunkt zwischen P1 und P3 auf der Konturlinie der konvexen Begrenzungsfläche des Werkstoffvorsprungs. Wäre dieser Krümmungsradius größer als 1 mm, dann sind die bei den üblicherweise verwendeten Substanzen, wie beispielsweise Kältemitteln oder Kohlenwasserstoffen, resultierenden Oberflächenspannungskräfte nicht ausreichend groß gegenüber der Schwerkraft, um den Transport des Kondensats maßgeblich zu beeinflussen.
- Vorteilhafterweise kann sich die konvexe Begrenzungsfläche des Werkstoffvorsprungs im Bereich seiner Spitze über den am weitesten von der Rippenflanke entfernten Punkt P3 hinaus mit konvexer Krümmung fortsetzen. In diesem Fall ist die Spitze des Werkstoffvorsprungs dann meist spiralig gekrümmt. Dadurch wird in dem zur Verfügung stehenden Zwischenraum zwischen den Rippen bei gleichem Rippenabstand weitere Oberfläche für die Kondensation gewonnen.
- In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung können die an der Rippenflanke angeordneten Werkstoffvorsprünge in Umfangsrichtung beabstandet sein. Dadurch entstehen zusätzliche Kanten, an denen die Kondensation stattfindet. Ferner kann das sich an der Rippenflanke sammelnde Kondensat in den Bereichen zwischen zwei Werkstoffvorsprüngen zum Rippenfuß hin abfließen.
- In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die an der Rippenflanke angeordneten Werkstoffvorsprünge in Umfangsrichtung äquidistant und zumindest um deren Breite beabstandet sein. Hierdurch wird ausreichend Zwischenraum für das sich an der Rippenflanke sammelnde Kondensat geschaffen, um einen Abtransport zu gewährleisten.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
- Darin zeigen:
- Fig. 1
- eine perspektivische Teilansicht eines Rippenabschnitts eines Wärmeaustauscherrohres mit Werkstoffvorsprüngen,
- Fig. 2
- eine Detailansicht eines in
Figur 1 dargestellten Werkstoffvorsprungs eines Wärmetauscherrohres nicht nach der Erfindung mit einer konvex gekrümmten Begrenzungsfläche. - Fig. 3
- eine weitere Detailansicht eines Werkstoffvorsprung eines Wärmetauscherrohres nicht nach der Erfindung mit zwei konvex gekrümmten Begrenzungsflächen,
- Fig. 4
- eine weitere Detailansicht eines Werkstoffvorsprungs eines Wärmetauscherrohres nicht nach der Erfindung mit einer zweifach konvex gekrümmten Begrenzungsfläche,
- Fig. 5
- eine weitere Detailansicht eines Werkstoffvorsprungs mit einer über den am weitesten von der Rippenflanke entfernten Punkt hinausgehende Fortsetzung,
- Fig. 6
- eine perspektivische Teilansicht der Außenseite eines Wärmeaustauscherrohrabschnitts,
- Fig. 7
- eine perspektivische Teilansicht der Innenseite eines Wärmeaustauscherrohrabschnitts, und
- Fig. 8
- den Querschnitt eines Wärmeaustauscherrohrabschnitts.
- Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines Rippenabschnitts eines Wärmeaustauscherrohres 1 mit drei Werkstoffvorsprüngen 4. Von der Rohraußenseite 21 ist nur ein Teil der umlaufenden, integral ausgeformten Rippen 3 abgebildet. Die Rippen 3 haben einen Rippenfuß 31, der an der hier nicht dargestellten Rohrwand ansetzt, Rippenflanken 32 und eine Rippenspitze 33. Die Rippe 3 steht im Wesentlichen radial von der Rohrwand ab. Die Rippenflanken 32 sind mit den zusätzlichen Strukturelementen versehen, die als Werkstoffvorsprünge 4 ausgebildet sind, die seitlich an der Rippenflanke 32 ansetzen. Diese Werkstoffvorsprünge 4 weisen mehrere Begrenzungsflächen 41 und 42 auf. In der abgebildeten Ausführungsform sind die drei dargestellten Begrenzungsflächen 42 der Werkstoffvorsprünge 4 auf der von der Rohrwand abgewandten Seite konvex gekrümmt. Prinzipiell können allerdings erfindungsgemäß bei jedem Werkstoffvorsprung 4 auch eine andere Begrenzungsfläche 42 oder gleich mehrere Begrenzungsflächen 42 mit einer konvexen Krümmung ausgestattet sein. Die übrigen, nicht konvexen Begrenzungsflächen 41, können entweder eben oder auch konkav ausgestaltet sein. Das Material der integral herausgearbeiteten Werkstoffvorsprünge 4 stammt in erster Linie aus der Rippenflanke 32, wobei durch eine Materialverlagerung bei der Herstellung der Wärmeaustauscherrohre 1 Ausnehmungen 34 entstehen. -
Fig. 2 zeigt eine Detailansicht eines Werkstoffvorsprungs 4 nicht nach der Erfindung mit einer konvex gekrümmten Begrenzungsfläche 42. Die übrigen nicht konvexen Begrenzungsflächen 41 verlaufen in diesem Falle eben. Im Bereich der konvexen Oberfläche wird das sich aus der Gasphase niederschlagende Kondensat aufgrund der Oberflächenspannung abtransportiert, wodurch sich vermehrt Kondensat im Bereich der konkaven Krümmung oder auch auf ebenen Oberflächenbereichen ansammelt. - Der mittlere Krümmungsradius RM der konvexen Begrenzungsfläche 42 eines gedachten Kreises K ist durch die drei Punkte P1, P2 und P3 definiert. Dieser Radius RM kann als charakterisierendes Maß für die Ausprägung der konvexen Oberfläche herangezogen werden. P1 ist der Punkt, an dem die konvexe Begrenzungsfläche 42 des Werkstoffvorsprungs 4 an der Rippenflanke angrenzt, P3 ist der Punkt, an dem die konvexe Begrenzungsfläche 42 des Werkstoffvorsprungs 4 am weitesten von der Rippenflanke entfernt ist und P2 ist der Mittelpunkt zwischen P1 und P3 auf der Konturlinie der konvexen Begrenzungsfläche 42 des Werkstoffvorsprungs 4. Bei üblichen Strukturgrößen der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohre mit integral gewalzten Rippen liegt der mittlere Krümmungsradius RM typischerweise im Submillimeterbereich.
- Eine weitere Detailansicht eines Werkstoffvorsprungs 4 mit zwei einander gegenüberliegenden konvex gekrümmten Begrenzungsflächen zeigt
Fig. 3 . Mit dieser Geometrie wird, ausgehend von der Spitze eines Werkstoffvorsprungs 4, besonders effektiv Kondensat zur Rippenflanke hin transportiert. Prinzipiell könnten für die effizienteste Aufführungsform auch alle Begrenzungsflächen 42, einschließlich der Seitenflächen 41, eine konvexe Krümmung aufweisen. Allerdings sind derartigen Ausführungsformen im Zuge der Strukturierung integraler Rippenformen und deren Werkstoffvorsprünge 4 prozesstechnologisch hohen Anforderungen unterworfen. - Als weiteres Beispiel nicht nach der Erfindung lässt sich auch der in der weiteren Detailansicht in
Fig. 4 dargestellte Werkstoffvorsprung 4 mit einer zweifach konvex gekrümmten Begrenzungsfläche 42 und ebenen Seitenflächen 41 realisieren. Die Krümmung der konvexen Begrenzungsfläche in einer Ebene senkrecht zur Rippenflanke ist dabei stärker als die Krümmung der konvexen Begrenzungsfläche 42 in der Ebene parallel zur Rippenflanke. Derartig gewölbte Oberflächen unterstützen den Kondensatabfluss zur Rippenflanke hin zusätzlich. - Eine weitere beispielhafte Ausführungsform zeigt
Fig. 5 in einer Detailansicht eines Werkstoffvorsprungs 4 mit ebenen Seitenflächen 41 und mit einer über den am weitesten von der Rippenflanke entfernten Punkt P3 hinausgehende Fortsetzung. In diesem Fall ist die Spitze SP des Werkstoffvorsprungs 4 spiralig zum Rippenfuß hin eingerollt. Dadurch wird im zur Verfügung stehenden Zwischenraum zwischen den Rippen weitere Oberfläche für die Kondensation gewonnen. Durch die Punkte P1, P2 und P3 wird wiederum der mittlere Krümmungsradius RM der konvexen Begrenzungsfläche 42 eines gedachten Kreises K festgelegt. -
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Teilansicht der Außenseite eines Wärmeaustauscherrohrabschnitts 1. Eine weitere perspektivische Teilansicht auf die Innenseite eines Wärmeaustauscherrohrabschnitts zeigt dagegenFig. 7 . Auf der Rohraußenseite 21 sind einige der integral ausgeformten und um die Rohrachse A umlaufenden Rippen 3 dargestellt. Die Rippen 3 stehen radial von der Rohrwand 2 ab und sind über den Rippenfuß 31 mit dieser verbunden. An den Rippenflanken 32 sind Werkstoffvorsprünge 4 ausgebildet, die seitlich an der Rippenflanke 32 ansetzen. Von den Begrenzungsflächen der Werkstoffvorsprünge 4 sind die von der Rohrwand 2 abgewandten Begrenzungsflächen 42 konvex ausgebildet. Die übrigen nicht konvexen Begrenzungsflächen 41 sind in der Ausführungsform nachFig. 6 eben. InFig. 7 sind die seitlichen Begrenzungsflächen 41 eben, die zum Rohrinneren hin gerichtete Begrenzungsflächen 41 sind konkav ausgeformt. Das Material der integral herausgearbeiteten Werkstoffvorsprünge 4 stammt in erster Linie aus der Rippenflanke 32 und nur zum Teil aus dem Bereich der Rippenspitze 33, wodurch Ausnehmungen 34 ausgebildet sind. Die an der Rippenflanke 32 angeordneten Werkstoffvorsprünge 4 sind in Umfangsrichtung U äquidistant ungefähr um deren Breite beabstandet. Gegenüberliegende Werkstoffvorsprünge benachbarter Rippen 3 berühren sich nicht, da die axiale Erstreckung der Werkstoffvorsprünge 4 kleiner als die halbe Weite des Zwischenraums zwischen zwei Rippen 3 gewählt ist. Auf der Rohrinnenseite 22 sind spiralig umlaufende Innenrippen 5 angeordnet, die den Wärmeübergang auf das Fluid im Inneren des Wärmeaustauscherrohrs 1 gegenüber einem Glattrohr steigern. -
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt eines Wärmeaustauscherrohrabschnitts 1. Auf der Rohrinnenseite 22 befinden sich spiralig umlaufende Innenrippen 5. Die Rippen 3 auf der Rohraußenseite 21 sind in regelmäßiger Abfolge ausgehend vom Rippenfuß 31 senkrecht auf der Rohrwand 2 angeordnet, die Rippenspitze 33 ist etwas abgeflacht. Die von der Rohrwand 2 abgewandten Begrenzungsflächen 42 der an der Rippenflanke 32 ansetzenden Werkstoffvorsprünge 4 sind konvex ausgebildet, die zum Rohrinneren 22 hin gerichteten Begrenzungsflächen 41 sind konkav. Gegenüberliegende Werkstoffvorsprünge benachbarter Rippen 3 berühren sich wiederum nicht. Hierdurch wird dem sich ansammelnden Kondensat ausreichend Raum zum Abtransport geschaffen. -
- 1
- Wärmeaustauscherrohr
- 2
- Rohrwand
- 21
- Rohraußenseite
- 22
- Rohrinnenseite
- 3
- Rippe auf der Rohraußenseite
- 31
- Rippenfuß
- 32
- Rippenflanke
- 33
- Rippenspitze
- 34
- Ausnehmungen
- 4
- Werkstoffvorsprung
- 41
- Begrenzungsfläche
- 42
- konvexe Begrenzungsfläche
- 5
- Rippe auf Rohrinnenseite
- SP
- Spitze eines Werkstoffvorsprungs
- U
- Rohrumfangsrichtung
- A
- Rohrachse
- RM
- mittlerer Krümmungsradius
- K
- Kreis
- P1, P2, P3
- Punkte auf konvexer Begrenzungsfläche
Claims (6)
- Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1) zur Kondensation von Dämpfen mit einer Rohrwand (2) und mit auf der Rohraußenseite (21) umlaufenden, integral ausgeformten Rippen (3), welche einen Rippenfuß (31), Rippenflanken (32) und eine Rippenspitze (33) haben, wobei der Rippenfuß (31) im Wesentlichen radial von der Rohrwand (2) absteht und die Rippenflanken (32) mit zusätzlichen Strukturelementen versehen sind, welche als aus Material der oberen Rippenflanke ähnlich einem Span geformte Werkstoffvorsprünge (4) ausgebildet sind, die seitlich an der Rippenflanke (32) angeordnet sind, wobei die Werkstoffvorsprünge (4) mehrere Begrenzungsflächen (41, 42) aufweisen, und wobei die von der Rohrwand (2) abgewandte Begrenzungsfläche (42) mindestens eines Werkstoffvorsprungs (4) konvex gekrümmt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der lokale Krümmungsradius der konvexen Begrenzungsfläche (42) mit zunehmender Entfernung von der Rippenflanke verkleinert ist. - Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung der Begrenzungsfläche (42) auch in einer Ebene parallel zur Rippenflanke (32) konvex gekrümmt ist, wobei die Krümmung der konvexen Begrenzungsfläche (42) in einer Ebene senkrecht zur Rippenflanke (32) stärker ist als die Krümmung der konvexen Begrenzungsfläche (42) in der Ebene parallel zur Rippenflanke (32).
- Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Radius (RM) eines gedachten Kreises (K), der in einer Schnittebene senkrecht zur Rohrumfangsrichtung (U) liegt und der durch die Punkte P1, P2 und P3 definiert wird, kleiner als 1 mm ist, wobei P1 der Punkt ist, an dem die konvexe Begrenzungsfläche (42) des Werkstoffvorsprungs (4) an der Rippenflanke (32) angrenzt, P3 der Punkt ist, an dem die konvexe Begrenzungsfläche (42) des Werkstoffvorsprungs (4) am weitesten von der Rippenflanke (32) entfernt ist und P2 der Mittelpunkt zwischen P1 und P3 auf der Konturlinie der konvexen Begrenzungsfläche (42) des Werkstoffvorsprungs (4) ist.
- Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die konvexe Begrenzungsfläche (42) des Werkstoffvorsprungs (4) im Bereich seiner Spitze (SP) über den am weitesten von der Rippenflanke (32) entfernten Punkt P3 hinaus mit konvexer Krümmung fortsetzt.
- Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Rippenflanke (32) angeordneten Werkstoffvorsprünge (4) in Umfangsrichtung (U) beabstandet sind.
- Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Rippenflanke (32) angeordneten Werkstoffvorsprünge (4) in Umfangsrichtung (U) äquidistant und zumindest um deren Breite beabstandet sind.
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