EP3465056B1

EP3465056B1 - Wärmeübertragerrohr

Info

Publication number: EP3465056B1
Application number: EP17725859.7A
Authority: EP
Inventors: Achim Gotterbarm; Ronald Lutz; Jean El Hajal; Manfred Knab
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2022-07-06
Anticipated expiration: 2037-05-17
Also published as: US10948245B2; MX2018014689A; JP2019517650A; DE102016006913A1; PL3465056T3; CN109312992A; EP3465056A1; KR20190013719A; KR102367602B1; WO2017207091A1; JP6907232B2; DE102016006913B4; PT3465056T; US20190145718A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeübertragerrohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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 Wärmeübertragerrohre 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 Wärmeübertragerrohre 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 zahlreichen 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 und DE 10 2006 008 083 B4 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.
Die Druckschriften US 2005/0145377 A1 und WO03104735A1 offenbaren verbesserte Wärmeübertragungsflächen, die die Wärmeübertragung von einer Seite der Oberfläche zur anderen erleichtern. Hierzu beschrieben ist eine weitere Methode zur Verbesserung von Wärmeübertragungsflächen durch die Verwendung eines Werkzeugs zum Schneiden der Innenfläche eines Rohrs. Das Werkzeug hat mindestens eine Spitze mit einer Schneidkante und einer Hubkante. Durch Schneiden der Innenoberfläche eines Wärmeübertragerrohres und Anheben der angeschnittenen Oberfläche werden Vorsprünge ausgebildet. Derart hergestellte Siedeflächen weisen eine Vielzahl von Primärnuten, Vorsprüngen und Sekundärnuten auf, beispielsweise um Siedehohlräume zu bilden.
Des Weiteren ist aus der Druckschrift US 3 776 018 A ein Rohr mit einer Längsachse und Innenrippen bekannt, die sich geneigt zur Achse erstrecken und eingedrückt sind, um eine Vielzahl von Leitblechen an den Rippen zu bilden. Auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rohrs aus einem runden Innenrippenrohrrohling durch teilweises Abflachen des Rohlings zum Zusammenpressen von gegenüberliegenden Rippen und anschließendes Expandieren des teilweise abgeflachten Rohlings durch inneren Fluiddruck ist beschrieben.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Innen- bzw. Außenstrukturen von Wärmeübertragerrohren der vorgenannten Art so weiterzubilden, dass eine gegenüber bereits bekannten Rohre eine weitere Leistungssteigerung erzielt wird.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Hierbei kann der strukturierte Bereich prinzipiell auf der Rohraußenseite bzw. der Rohrinnenseite ausgeformt sein. Bevorzugt ist allerdings, die erfindungsgemäßen Rippenabschnitte im Rohrinneren anzuordnen. Die beschriebenen Strukturen lassen sich sowohl für Verdampfer- als auch für Kondensatorrohre einsetzen.
Die Vorsprungshöhe wird zweckmäßigerweise als die Abmessung eines Vorsprungs in radialer Richtung definiert. Die Vorsprungshöhe ist dann in radialer Richtung die Strecke ausgehend von der Rohrwand bis zur von der Rohrwand entferntesten Stelle des Vorsprungs.
Die Schneidtiefe, auch Kerbtiefe genannt, ist die in radialer Richtung gemessene Strecke ausgehend von der originären Rippenspitze bis zur tiefsten Stelle der Kerbe. Mit anderen Worten: Die Kerbtiefe ist die Differenz der originären Rippenhöhe und der an der tiefsten Stelle einer Kerbe verbleibenden Restrippenhöhe.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Rippenabschnitte prinzipiell auf der Rohraußenseite bzw. der Rohrinnenseite ausgeformt sein können. Bevorzugt ist allerdings, die erfindungsgemäßen Rippenabschnitte im Rohrinneren anzuordnen. Die beschriebenen Strukturen lassen sich sowohl für Verdampfer- als auch für Kondensatorrohre einsetzen.
Ganz besonders eignen sich die erfindungsgemäßen Rippenabschnitte für Innenstrukturen. Hierbei ist die innere Fläche des Rohrs mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen vergrößert, die in Rippenabschnitte untergliedert sind. Hierdurch verringert sich in erheblicher Weise der rohrseitige Wärmedurchgangswiderstand und der Wärmeübergangskoeffizient wird gesteigert. Die Vorsprünge schaffen zusätzliche Wege für einen Fluidfluß innerhalb des Rohres und erhöhen dadurch die Turbulenz des Wärmeübertragungsmediums, das innerhalb des Rohres fließt. Diese Maßnahme verringert die aus dem Fluid nahe der inneren Fläche des Rohres aufgebauten Grenzschicht.
Gegenüber glatten Oberflächen liefern die Vorsprünge ein Vielfaches an zusätzlichem Oberflächenanteil für einen zusätzlichen Wärmeaustausch. Versuche zeigen, dass die Leistungsfähigkeit von Rohren mit den in besonderer Weise gestalteten Rippenabschnitten dieser Erfindung in erheblicher Weise erhöht ist.
Die verfahrensseitige Strukturierung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragerrohrs kann unter Verwendung eines Werkzeugs hergestellt werden, welches in der DE 603 17 506 T2 bereits beschrieben ist. Die Offenbarung dieser Druckschrift DE 603 17 506 T2 wird vollumfänglich in die vorliegenden Unterlagen einbezogen. Hierdurch lässt sich die Vorsprungshöhe und der Abstand variabel gestalten und individuell auf die Anforderungen, beispielsweise der Viskosität der Flüssigkeit oder der Strömungsgeschwindigkeit, anpassen.
Das verwendete Werkzeug weist eine Schneidkante zum Schneiden durch die Rippen an der inneren Fläche des Rohres auf zur Schaffung von Rippensegmenten und eine Anhebekante zum Anheben der Rippensegmente zur Bildung der Vorsprünge. Auf diese Weise werden die Vorsprünge ohne Entfernung von Metall von der inneren Fläche des Rohrs gebildet. Die Vorsprünge an der inneren Fläche des Rohrs können in der gleichen oder einer unterschiedlichen Bearbeitung wie die Bildung der Rippen gebildet werden.
Die Strukturierung der aus der Rohrwand kontinuierlich verlaufenden, achsparallelen oder helixförmig umlaufenden Rippen mit den zwischen jeweils benachbarten Rippen sich kontinuierlich erstreckende Primärnuten können mit den in der DE 101 56 374 C1 beschriebenen Verfahrensmaßnahmen hergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung, bei der die Rippen in Rippenabschnitte unterteilt sind, die in eine Vielzahl von Vorsprüngen mit einer Vorsprungshöhe zerteilt sind, führt dazu, dass die Vorsprünge von der geregelten Ordnung abweichen. Daraus resultiert wiederum ein optimierter Wärmeübergang bei möglichst geringem Druckverlust, da die Fluidgrenzschicht, welche hinderlich für einen guten Wärmeübergang ist, durch zusätzlich erzeugte Turbulenzen unterbrochen wird. Eine Unterbrechung durch die Zerteilung der Vorsprünge führt dabei zusätzlich zu einer Erhöhung der Turbulenz sowie zu einem Fluidaustausch über den Verlauf der Primärrippe hinweg, was ebenfalls eine Unterbrechung der Grenzschicht bedingt. Hierbei kann der strukturierte Bereich prinzipiell auf der Rohraußenseite bzw. der Rohrinnenseite ausgeformt sein. Bevorzugt ist allerdings, die erfindungsgemäßen Rippenabschnitte im Rohrinneren anzuordnen. Die beschriebenen Strukturen lassen sich sowohl für Verdampfer- als auch für Kondensatorrohre einsetzen.
Eine homogene Anordnung der Vorsprünge kann diese gezielte Unterbrechung der Grenzschicht nur bedingt leisten. Die Formen, Höhen und Anordnung der Abstände kann durch das Einstellen der Schneidmesser bzw. Schneidgeometrien sowie durch individuell angepasste Primärrippenformen und Geometrien angepasst und optimiert werden. Zur Optimierung der Fluidströmung kann der die Form der Vorsprünge individuell angepasst und damit die Unterbrechung der Grenzschicht effizient durchgeführt werden. Diese Optimierungen für die turbulente bzw. laminare Strömungsform werden durch unterschiedlichen Vorsprungshöhen realisiert.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Rippenabschnitte der Rippen von unter einem Steigungswinkel β verlaufenden Sekundärnuten gemessen gegen die Rohrlängsachse aus den Rippen gebildet sein.
Hierbei können die Sekundärnuten gegenüber den Innenrippen unter einem Steigungswinkel von mindestens 10° und höchstens 80° verlaufen. Die Tiefe der Sekundärnuten kann variieren und mindestens 20% der ursprünglichen Rippenhöhe der Innenrippen betragen. Durch das Einbringen der Sekundärnuten besitzen die Innenrippen nun keinen konstanten Querschnitt mehr. Folgt man dem Verlauf der Innenrippen, dann ändert sich die Querschnittsform der Innenrippen an den Stellen der Sekundärnuten. Durch die Sekundärnuten entstehen im rohrseitig strömenden Medium zusätzliche Wirbel und axiale Durchtrittsstellen im wandnahen Bereich, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient weiter gesteigert wird.
Wenn die Tiefe der Sekundärnuten gleich der Höhe der ursprünglichen Innenrippen ist, dann entstehen auf der Rohrinnenseite voneinander beabstandete Rippenabschnitte als Strukturelemente, die Pyramidenstümpfen ähnlich sind. Durch das Aufbringen von Sekundärnuten ist eine gezielte Einstellung möglich, da die Vorsprünge nur in dem Bereich ausgebildet werden, in dem die Primärrippe noch ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß weisen die Vorsprünge alternierend wechselnde Schneidtiefen durch eine Rippe auf.
Bei einer derartigen Ausbildung lässt sich die Höhe der einzelnen Vorsprünge gezielt anpassen sowie zueinander variieren um somit besonders bei laminarer Strömung durch unterschiedliche Rippenhöhen in die unterschiedlichen Grenzschichten der Strömung bis hin zum Strömungskern eintauchen und die Wärme an die Rohrwand ableiten. Hierbei kann sich die Schneid- oder Kerbtiefe auch durch die gesamte ursprüngliche Rippe bis in die Kernwandung erstrecken.
Eine wechselnde Kerb- oder Schneidtiefe ist auch damit gleichbedeutend, dass die jeweils tiefste Stelle der Kerben alterniert und folglich den Abstand zur Rohrwand verändert. Hierzu gleichbedeutend ist zudem, dass die jeweils tiefste Stelle der Kerben - hier mit Kerbgrund bezeichnet - im Abstand von der Rohrlängsachse über in Rippenrichtung aufeinanderfolgende Kerben alterniert.
Hierbei können die zumindest um einen Vorsprung benachbarten Einkerbungen in der Kerbtiefe um mindestens 10 % variieren. Weiter bevorzugt kann die Variation der Kerbtiefe mindestens 20 % oder sogar 50 % betragen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann mindestens ein Vorsprung aus der Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf über die Primärnut auskragen. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die ausgebildete Grenzschicht im Rippenzwischenraum durch diesen in die Primärnut ragenden Vorsprung unterbrochen wird, was einen verbesserten Wärmeübergang bedingt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Rippenabschnitte der Rippen entlang dem Rippenverlauf langgestreckt ausgebildet sein. Hierbei sind die Rippen in Rippenabschnitte unterteilt, die in eine ausreichende Vielzahl von Vorsprüngen mit einer Vorsprungshöhe zerteilt sind. Beispielsweise umfasst ein Rippenabschnitt zumindest 3, bevorzugt zumindest 4 Vorsprünge. Die Rippenabschnitte können dabei gegeneinander beabstandet sein, wodurch sich Durchtrittsstellen für das Fluid bilden. Daraus resultiert wiederum ein optimierter Wärmeübergang bei möglichst geringem Druckverlust, da die Fluidgrenzschicht, welche hinderlich für einen guten Wärmeübergang ist, durch zusätzlich erzeugte Turbulenzen unterbrochen wird. Eine Unterbrechung führt dabei zusätzlich zu einer Erhöhung der Turbulenz sowie zu einem Fluidaustausch über den Verlauf der Primärrippe hinweg, wodurch ebenfalls eine Unterbrechung der Grenzschicht bedingt wird.
Vorteilhafterweise können mehrere Vorsprünge an der von der Rohrwand entferntesten Stelle eine zur Rohrlängsachse parallele Fläche aufweisen.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung können die Vorsprünge in Vorsprungshöhe, Form und Ausrichtung untereinander variieren, um die Höhe der einzelnen Vorsprünge gezielt anzupassen sowie zueinander zu variieren um somit besonders bei laminarer Strömung durch unterschiedliche Rippenhöhen in die unterschiedlichen Grenzschichten der Strömung bis hin zum Strömungskern eintauchen und die Wärme an die Rohrwand ableiten.
In besonders bevorzugter Ausführungsform kann ein Vorsprung an der von der Rohrwand abgewandten Seite eine spitz zulaufende Spitze aufweisen. Dies führt bei Kondensatorrohren mit einer Verwendung von zweiphasigen Fluiden zu einer optimierten Kondensation an der Vorsprungsspitze.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann ein Vorsprung an der von der Rohrwand abgewandten Seite eine gekrümmte Spitze aufweisen, deren lokaler Krümmungsradius ausgehend von der Rohrwand mit zunehmender Entfernung verkleinert ist. Dies hat zum Vorteil, dass das an der Spitze eines Vorsprungs entstandene Kondensat durch die konvexe Krümmung schneller hin zum Rippenfuß transportiert und somit der Wärmeübergang bei der Verflüssigung optimiert wird. Beim Phasenwechsel, hier im speziellen bei der Verflüssigung liegt das Hauptaugenmerk auf der Verflüssigung des Dampfes und das Abführen des Kondensats weg von der Spitze hin zum Rippenfuß. Dafür bildet eine konvex gekrümmter Vorsprung eine ideale Grundlage zur effektiven Wärmeübertragung. Die Basis des Vorsprungs steht dabei im Wesentlichen radial von der Rohrwand ab.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Vorsprünge eine unterschiedliche Form und/oder Höhe von einem Rohranfang entlang der Rohrlängsachse hin zum gegenüber liegenden Rohrende aufweisen. Der Vorteil dabei ist eine gezielte Einstellung des Wärmeübergangs von Rohranfang bis Rohrende.
Vorteilhafterweise können sich die Spitzen von zumindest zwei Vorsprüngen entlang dem Rippenverlauf gegenseitig berühren oder überkreuzen; was speziell im reversiblen Betrieb beim Phasenwechsel von Vorteil ist, da die Vorsprünge für die Verflüssigung weit aus dem Kondensat ragen und für die Verdampfung eine Art Kavität ausbilden.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung können sich die Spitzen von zumindest zwei Vorsprüngen über die Primärnut hinweg gegenseitig berühren oder überkreuzen. Dies ist speziell im reversiblen Betrieb beim Phasenwechsel von Vorteil, da die Vorsprünge für die Verflüssigung weit aus dem Kondensat ragen und für die Verdampfung eine Art Kavität ausbilden.
In besonders bevorzugter Ausführungsform kann mindestens einer der Vorsprünge derartig verformt sein, dass dessen Spitze die Rohrinnenseite bzw. die Rohraußenseite berührt. Insbesondere im reversiblen Betrieb beim Phasenwechsel ist dies von Vorteil, da die Vorsprünge für die Verflüssigung für die Verdampfung eine Art Kavität und damit Blasenkeimsteiten ausbilden.
Vorteilhafterweise können die Vorsprünge aus Rippen gebildet werden, wobei mindestens eine der Rippen in mindestens einem der Merkmale Rippenhöhe, Rippenabstand, Rippenspitze, Rippenzwischenraum, Rippenöffnungswinkel und Drall voneinander variiert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

Fig. 1: schematisch eine Schrägansicht eines Rohrausschnitts mit der erfindungsgemäßen Struktur auf der Rohrinnenseite;
Fig. 2: schematisch eine weitere Schrägansicht eines Rohrausschnitts mit der erfindungsgemäßen Innenstruktur mit Sekundärnut;
Fig. 3: schematisch einen Rippenabschnitt mit unterschiedlicher Kerbtiefe;
Fig. 4: schematisch einen Rippenabschnitt mit einem über die Primärnut kragenden Strukturelement;
Fig. 5: schematisch einen Rippenabschnitt mit einem in Rippenrichtung an der Spitze gekrümmten Vorsprung;
Fig. 6: schematisch einen Rippenabschnitt mit einem Vorsprung mit einer parallelen Fläche an der von der Rohrwand entferntesten Stelle;
Fig. 7: schematisch einen Rippenabschnitt mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf sich gegenseitig berührenden Vorsprüngen;
Fig. 8: schematisch einen Rippenabschnitt mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf sich gegenseitig überkreuzenden Vorsprüngen;
Fig. 9: schematisch einen Rippenabschnitt mit zwei sich über die Primärnut hinweg gegenseitig berührenden Vorsprüngen; und
Fig. 10: schematisch einen Rippenabschnitt mit zwei sich über die Primärnut hinweg gegenseitig überkreuzenden Vorsprüngen.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Schrägansicht eines Rohrausschnitts des Wärmeübertragerrohrs 1 mit der erfindungsgemäßen Struktur auf der Rohrinnenseite 22. Das Wärmeübertragerrohr 1 besitzt eine Rohrwand 2, eine Rohraußenseite 21 und eine Rohrinnenseite 22. Auf der Rohrinnenseite 22 sind aus der Rohrwand 2 kontinuierlich verlaufende, helixförmig umlaufende Rippen 3 geformt. Die Rohrlängsachse A verläuft gegenüber den Rippen unter einem gewissen Winkel. Zwischen jeweils benachbarten Rippen 3 sind sich kontinuierlich erstreckende Primärnuten 4 gebildet.
Die Rippen 3 sind entlang dem Rippenverlauf in sich periodisch wiederholende Rippenabschnitte 31 unterteilt, die in eine Vielzahl von Vorsprüngen 6 zerteilt sind.
Die Vorsprünge 6 sind durch Schneiden der Rippen 3 mit einer Schneidtiefe quer zum Rippenverlauf zur Bildung von Rippensegmenten und durch Anheben der Rippensegmente mit einer Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf zwischen Primärnuten 4 ausgeformt.
In Fig. 1 sind die Rippenabschnitte 31 der Rippen 3 entlang dem Rippenverlauf langgestreckt ausgebildet. Ein Rippenabschnitt 31 grenzt sich in diesem Fall durch einen nicht geschnittenen Teilbereich einer Rippe 3 gegenüber dem nachfolgenden ab. Dort kann auch die originären Höhe der primären Rippe 3 partiell noch erhalten sein.
Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Schrägansicht eines Rohrausschnitts des Wärmeübertragerrohrs 1 mit der erfindungsgemäßen Struktur auf der Rohrinnenseite 22 mit Sekundärnut 5. Die Rippen 3 sind wiederum entlang dem Rippenverlauf in sich periodisch wiederholende Rippenabschnitte 31 unterteilt, die in eine Vielzahl von Vorsprüngen 6 zerteilt sind.
In Fig. 2 sind die Rippenabschnitte 31 der Rippen 3 entlang dem Rippenverlauf wiederum langgestreckt ausgebildet. Ein Rippenabschnitt 31 grenzt sich gegenüber dem nachfolgenden durch eine unter einem Steigungswinkel β verlaufenden Sekundärnut 5 gemessen gegen die Rohrlängsachse A ab. Die Sekundärnut 5 kann eine geringe Kerbtiefe aufweisen oder, wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, mit großer Kerbtiefe nahe an die Primärnut heranreichen.
Fig. 3 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit unterschiedlicher Schneid- oder Kerbtiefe t₁, t₂, t₃. Die Bezeichnungen Schneidtiefe bzw. Kerbtiefe stellen im Rahmen der Erfindung dieselbe Begrifflichkeit dar. Die Vorsprünge 6 weisen alternierend wechselnde Schneidtiefen t₁, t₂, t₃ durch eine Rippe 3 auf. Gestrichelt angedeutet ist in der Fig. 3 die originäre geformte helixförmig umlaufende Rippe 3. Aus dieser sind die Vorsprünge 6 durch Schneiden der Rippe 3 mit einer Schneidtiefe t₁, t₂, t₃ quer zum Rippenverlauf zur Bildung von Rippensegmenten und durch Anheben der Rippensegmente mit einer Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf ausgeformt. Die unterschiedlichen Schneidtiefen t₁, t₂, t₃ bemessen sich folglich an der Einkerbtiefe der originären Rippe in radialer Richtung.
Die Vorsprungshöhe h ist in Fig. 2 als die Abmessung eines Vorsprungs in radialer Richtung eingezeichnet. Die Vorsprungshöhe h ist dann in radialer Richtung die Strecke ausgehend von der Rohrwand bis zur von der Rohrwand entferntesten Stelle des Vorsprungs.
Die Kerbtiefe t₁, t₂, t₃ ist die in radialer Richtung gemessene Strecke ausgehend von der originären Rippenspitze bis zur tiefsten Stelle der Kerbe. Mit anderen Worten: Die Kerbtiefe ist die Differenz der originären Rippenhöhe und der an der tiefsten Stelle einer Kerbe verbleibenden Restrippenhöhe.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit einem über die Primärnut 4 kragenden Strukturelement 6. Es handelt sich dabei um einen Vorsprung 6, der aus der Hauptausrichtung mit der Spitze 62 entlang dem Rippenverlauf über die Primärnut 4 hinwegreicht. Je weiter die Auskragung ausgebildet ist, desto intensiver wird die ausgebildete Grenzschicht des Fluids im Rippenzwischenraum gestört, was einen verbesserten Wärmeübergang bedingt.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit einem in Rippenrichtung an der Spitze 62 gekrümmten Vorsprung 6. Der Vorsprung 6 hat an der gekrümmten Spitze 62 einen sich verändernden Krümmungsverlauf. Hierbei nimmt der lokale Krümmungsradius ausgehend von der Rohrwand mit zunehmender Entfernung ab. Mit anderen Worten: Der Krümmungsradius verkleinert sich entlang der durch die Punkte P1, P2, P3 angedeuteten Linie zur Spitze 62 hin. Dies hat zum Vorteil, dass das an der Spitze 62 entstehende Kondensat bei zweiphasigen Fluiden durch die zunehmende konvexe Krümmung schneller hin zum Rippenfuß transportiert wird.
Hierdurch wird der Wärmeübergang bei der Verflüssigung optimiert.
Fig. 6 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit einem Vorsprung 6 mit einer parallelen Fläche 61 an der von der Rohrwand entferntesten Stelle im Bereich der Spitze 62.
Fig. 7 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf sich gegenseitig berührenden Vorsprüngen 6. Des Weiteren zeigt Fig. 8 schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf sich gegenseitig überkreuzenden Vorsprüngen 6. Auch Fig. 9 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit zwei sich über die Primärnut 4 hinweg gegenseitig berührenden Vorsprüngen. Fig. 10 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit zwei sich über die Primärnut 4 hinweg gegenseitig überkreuzenden Vorsprüngen 6.
Bei den in den Fig. 7 bis 10 dargestellten Strukturelementen ist speziell im reversiblen Betrieb bei zweiphasigen Fluiden von Vorteil, dass die für die Verdampfung eine Art Kavität ausbilden. Die Kavitäten dieser besonderen Art bilden die Ausgangsstellen für Blasenkeime eines verdampfenden Fluids.

Bezugszeichenliste

1: Wärmeübertragerrohr
2: Rohrwand
21: Rohraußenseite
22: Rohrinnenseite
3: Rippe
31: Rippenabschnitt
4: Primärnut
5: Sekundärnut
6: Vorsprung
61: parallele Fläche
62: Spitze

A: Rohrlängsachse
β: Steigungswinkel
t1: erste Schneidtiefe
t2: zweite Schneidtiefe
t3: dritte Schneidtiefe
h: Vorsprungshöhe

Claims

Wärmeübertragerrohr (1) mit einer Rohrlängsachse (A), einer Rohrwand (2), einer Rohraußenseite (21) und einer Rohrinnenseite (22), wobei
- auf der Rohraußenseite (21) und/oder Rohrinnenseite (22) aus der Rohrwand (2) kontinuierlich verlaufende, achsparallele oder helixförmig umlaufende Rippen (3) geformt sind,

- zwischen jeweils benachbarten Rippen (3) sich kontinuierlich erstreckende Primärnuten (4) gebildet sind,
wobei die Rippen (3) entlang dem Rippenverlauf in sich periodisch wiederholende Rippenabschnitte (31) unterteilt sind, die in eine Vielzahl von Vorsprüngen (6) mit einer Vorsprungshöhe (h) zerteilt sind, dass die Vorsprünge (6) durch Schneiden der Rippen (3) mit einer Schneidtiefe (t₁, t₂, t₃) quer zum Rippenverlauf zur Bildung von Rippensegmenten und durch Anheben der Rippensegmente mit einer Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf zwischen Primärnuten (4) ausgeformt sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorsprünge (6) alternierend wechselnde Schneidtiefen (t₁, t₂, t₃) durch eine Rippe (3) aufweisen.
Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenabschnitte (31) der Rippen (3) von unter einem Steigungswinkel β verlaufenden Sekundärnuten (5) gemessen gegen die Rohrlängsachse (A) aus den Rippen (3) gebildet sind.
Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Vorsprung (6) aus der Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf über die Primärnut (4) auskragt.
Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenabschnitte (31) der Rippen (3) entlang dem Rippenverlauf langgestreckt ausgebildet sind.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vorsprünge (6) an der von der Rohrwand (2) entferntesten Stelle eine zur Rohrlängsachse (A) parallele Fläche (61) aufweist.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (6) in Vorsprungshöhe (h), Form und Ausrichtung untereinander variieren.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsprung (6) an der von der Rohrwand (2) abgewandten Seite eine spitz zulaufende Spitze (62) aufweist.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsprung (6) an der von der Rohrwand (2) abgewandten Seite eine gekrümmte Spitze (62) aufweist, deren lokaler Krümmungsradius ausgehend von der Rohrwand (2) mit zunehmender Entfernung verkleinert ist.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (6) eine unterschiedliche Form und/oder Höhe von einem Rohranfang entlang der Rohrlängsachse (A) hin zum gegenüber liegenden Rohrende aufweisen.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spitzen (62) von zumindest zwei Vorsprüngen (6) entlang dem Rippenverlauf gegenseitig berühren oder überkreuzen.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spitzen (62) von zumindest zwei Vorsprüngen (6) über die Primärnut (4) hinweg gegenseitig berühren oder überkreuzen.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Vorsprünge (6) derartig verformt ist, dass dessen Spitze (62) die Rohrinnenseite (22) bzw. die Rohraußenseite berührt.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (6) aus Rippen (3) gebildet werden, wobei mindestens eine der Rippen (3) in mindestens einem der Merkmale Rippenhöhe, Rippenabstand, Rippenspitze, Rippenzwischenraum, Rippenöffnungswinkel und Drall voneinander variiert.