WO2017207089A1 - Wärmeübertragerrohr - Google Patents

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WO2017207089A1
WO2017207089A1 PCT/EP2017/000595 EP2017000595W WO2017207089A1 WO 2017207089 A1 WO2017207089 A1 WO 2017207089A1 EP 2017000595 W EP2017000595 W EP 2017000595W WO 2017207089 A1 WO2017207089 A1 WO 2017207089A1
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WO
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tube
projections
heat exchanger
rib
exchanger tube
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Application number
PCT/EP2017/000595
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English (en)
French (fr)
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Achim Gotterbarm
Ronald Lutz
Jean El Hajal
Manfred Knab
Original Assignee
Wieland-Werke Ag
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Publication date
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Priority to JP2018558390A priority patent/JP6788688B2/ja
Priority to KR1020187030822A priority patent/KR102451113B1/ko
Priority to EP17727102.0A priority patent/EP3465057B1/de
Priority to MX2018014687A priority patent/MX2018014687A/es
Priority to PL17727102.0T priority patent/PL3465057T3/pl
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    • F28F1/14—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending longitudinally
    • F28F1/16—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending longitudinally the means being integral with the element, e.g. formed by extrusion
    • F28F1/18—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending longitudinally the means being integral with the element, e.g. formed by extrusion the element being built-up from finned sections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F1/422—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being both outside and inside the tubular element with outside means integral with the tubular element and inside means integral with the tubular element

Definitions

  • Heat exchanger tube The invention relates to metallic heat exchanger tubes according to the preambles of claims 1 and 2.
  • Such metallic heat exchanger tubes are used in particular for the evaporation of liquids from pure substances or mixtures on the tube outside.
  • Evaporation occurs in many areas of refrigeration and air conditioning technology as well as in process and energy technology.
  • shell-and-tube heat exchangers are used in which liquids of pure substances or mixtures evaporate on the outside of the pipe, cooling a brine or water on the inside of the pipe.
  • Such apparatuses are referred to as flooded evaporators.
  • the size of the evaporator can be greatly reduced. As a result, the production costs of such apparatuses decrease.
  • 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 toxic or flammable refrigerants, the risk potential can also be reduced by reducing the filling quantity.
  • the standard high-performance pipes are about four times more efficient than smooth pipes of the same diameter.
  • integrally rolled finned tubes understood ribbed tubes in which the ribs were formed from the wall material of a smooth tube.
  • various methods are known with which the channels located between adjacent ribs are closed in such a way that connections between the channel and the environment remain in the form of pores or slits.
  • substantially closed channels are formed by bending or flipping the ribs (US 3,696,861, US 5,054,548, US 7,178,361 B2), splitting and upsetting the ribs (DE 2 758 526 C2, US 4,577,381), and notching and upsetting the ribs (US Pat 4,660,630, EP 0 713 072 B1, US 4,216,826).
  • the invention includes a heat exchanger tube with a tube longitudinal axis, wherein from the tube wall on the tube outside and / or inside tube continuously extending, axially parallel or helically encircling ribs are formed between each adjacent ribs continuously extending primary grooves are formed, the ribs at least one structured area the outside of the tube and / or the inside of the tube, and the structured region has a plurality of protrusions projecting from the surface with a protrusion height, whereby the protrusions are separated by indentations.
  • a plurality of projections are deformed in pairs so far as to form cavities between adjacent projections.
  • the invention includes a heat exchanger tube with a tube longitudinal axis, wherein from the tube wall on the tube outside and / or tube inside continuously extending, axially parallel or helically circulating Ridges are formed, between each adjacent ribs continuously extending primary grooves are formed, the ribs have at least one structured region on the tube outside and / or tube inside and the structured region has a plurality of protruding from the surface projections with a projection height, whereby the projections through Notches are separated.
  • a plurality of projections are deformed in the direction of the pipe wall, so that cavities form between a respective projection and the pipe wall.
  • the structured region can, in principle, be formed on the outside of the pipe or on the inside of the pipe. However, it is preferred to arrange the rib sections according to the invention inside the tube.
  • the structures described can be used for both evaporator and condenser tubes. Likewise, the structures are suitable for single-phase fluid flows, such as water.
  • a cavity in adjacent protrusions exists when the shortest distance between adjacent protrusions, starting from the tube wall, decreases to the point of the protrusions which is furthest away from the tube wall.
  • the adjacent protrusions forming a cavity incline towards each other.
  • the cavity is formed with the respectively facing concave surfaces of adjacent projections.
  • the surfaces forming a cavity of the adjacent projections extend over their vault-like.
  • the protrusion height is expediently defined as the dimension of a protrusion in the radial direction.
  • the projection height is then in the radial direction, the distance from the pipe wall to the farthest from the pipe wall point of the projection.
  • the notch depth of the notches is the distance measured in the radial direction, starting from the original rib tip to the lowest point of the notch. In other words, the notch depth is the difference between the original rib height and the residual rib height remaining at the lowest point of a notch.
  • the invention is based on the consideration that the cavities formed between the tube wall and the folded-over projections or between adjacent projections form the cavities according to the invention.
  • the projections are cut and placed or folded so that they form such cavities.
  • the projections touch the pipe wall or form cavities without direct contact.
  • the production can be carried out directly via adapted cutting geometries or via a secondary forming process, whereby the secondary tool used can be smooth or have an additional structure.
  • the tubes can be arranged horizontally or vertically during evaporation, for example, on the tube inside. Further, there are cases in which the tubes are slightly inclined from the horizontal or the vertical. In refrigeration usually evaporators are used with horizontal tubes. In contrast, in the chemical industry for the heating of distillation columns often used vertical circulation evaporator. The evaporation of the substance takes place on the inside of vertical tubes.
  • the temperature of the heat-emitting medium In order to allow the heat transfer between the heat-emitting medium and the evaporating substance, the temperature of the heat-emitting medium must be higher than the saturation temperature of the substance. This temperature difference is called the driving temperature difference. The higher the driving temperature difference, the more heat can be transferred. On the other hand, there is usually a desire to keep the driving temperature difference small, as this is beneficial for process efficiency.
  • the cavities according to the invention intensify the bubble boiling process in order to increase the heat transfer coefficient during the evaporation.
  • the formation of bubbles begins at germinal sites. These germinal sites are usually small gas or steam inclusions. When the growing bubble reaches a certain size, it detaches from the surface. If the germinal site is flooded with fluid in the course of bladder detachment, the germinal site is deactivated.
  • the surface must therefore be designed as a cavity so that when detaching the bubble remains a small bubble, which then serves as a germination point for a new cycle of bubble formation. This is achieved by arranging cavities on the surface in which a small bubble can remain behind after detachment of the bladder.
  • the tips of at least two projections along the rib course can touch or cross each other. This is particularly advantageous in reversible operation during phase change, since the projections for the liquefaction project far out of the condensate and form a type of cavity for the evaporation.
  • the tips of at least two protrusions may touch or cross each other across the primary groove. This is advantageous in reversible operation during the phase change, since the projections for the liquefaction in turn project far out of the condensate and form a type of cavity for the evaporation.
  • the distance between the tip of the projection to the pipe wall is less than the residual rib height.
  • the projection receives a hook-like or eye-like shape directly above the pipe wall.
  • Such Rounded shapes are particularly advantageous in vaporization processes for nucleation.
  • At least one of the projections may be deformed such that its tip touches the tube inside.
  • a bubble germ is formed by a turn hook-like or eye-like shape of the projection during the phase transition of a fluid heat transfer medium close to the tube wall. Over the pipe wall there takes place a particularly intense heat exchange into the fluid.
  • the notches can be formed by cutting the inner ribs with a cutting depth transverse to the rib course to form fin layers and by raising the rib layers with a main orientation along the rib course between primary grooves.
  • the process-side structuring of the heat exchanger tube according to the invention can be produced using a tool which has already been described in DE 603 17 506 T2.
  • the disclosure of this document DE 603 17 506 T2 is fully incorporated into the present documents.
  • the projection height and the distance can be made variable and individually adapted to the requirements, for example, the viscosity of the liquid or the flow rate.
  • the tool used has a cutting edge for cutting through the ribs on the inner surface of the tube to provide fin layers and a lifting edge for raising the rib layers to form the projections. In this way, the projections are formed without removal of metal from the inner surface of the tube.
  • the projections on the inner surface of the tube may be in the same or a different machining as the Formation of the ribs are formed.
  • the projection height and distance can be made variable and individually adapted to the requirements of the fluid in question, for example with regard to viscosity of the fluid, flow rate.
  • the projections can vary in projection height, shape and orientation with each other.
  • the individual projections can be adapted to one another in a targeted manner and vary from one another, so that the flow is immersed in the different boundary layers of the flow, particularly in the case of laminar flow through different fin heights, in order to divert the heat to the tube wall.
  • the projection height and the distance can be adjusted individually to the requirements, for example the viscosity of the fluid or the flow velocity.
  • a projection on the side facing away from the tube wall side have a pointed tip. This leads to condenser tubes with the use of two-phase fluids for an optimized condensation at the tip of the projection.
  • a projection on the side facing away from the tube wall side may have a curved tip whose local radius of curvature is reduced with increasing along the projection profile distance from the tube wall.
  • FIG. 1 shows schematically an oblique view of a pipe section of the heat exchanger tube with a structure according to the invention on the pipe inside;
  • Fig. 2 shows schematically an oblique view of a Rohrausterrorisms the
  • FIG. 3 schematically shows an oblique view of a pipe section of the heat exchanger tube with a further structure according to the invention on the inside of the pipe;
  • FIG. 5 schematically shows a rib section with two projections which contact one another along the rib course
  • FIG. 6 schematically shows a rib section with two projections which cross over one another along the rib course
  • Fig. 8 shows schematically a rib portion with two mutually crossing over the primary groove over projections.
  • Fig. 1 shows schematically an oblique view of a Rohrausterrorisms the Heat exchanger tube 1 having a structure according to the invention on the inside of the tube 22.
  • the heat exchanger tube 1 has a tube wall 2, a tube outer side 21 and a tube inside 22.
  • the tube longitudinal axis A runs opposite the ribs 3 at a certain angle. Between each adjacent ribs 3 continuously extending primary grooves 4 are formed.
  • the protrusions 6 are formed by cutting the ribs 3 with a depth of cut transverse to the rib run to form fin layers, and raising the rib layers with a principal orientation along the rib run between primary grooves 4.
  • the notches 7 between the projections 6 may also be formed with an alternating notch depth in a rib 3.
  • Fig. 2 shows schematically an oblique view of a pipe section of the heat exchanger tube 1 with a further structure according to the invention.
  • Several projections 6 are so far in pairs deformed to each other that form cavities 10 between adjacent projections 6.
  • the tips 61 of at least two projections 6 extend beyond the primary groove 4 and contact each other.
  • the tips 61 of pairs mutually deformed projections 6 may still have a certain distance from each other. However, this is so low that nevertheless effective cavities 10 are formed.
  • the projections 6 are in turn formed by cutting the ribs 3 with a depth of cut transverse to the rib path to form fin layers and lifting the rib layers with a primary orientation along the rib Rib course formed between primary grooves 4.
  • the notches 7 between the projections 6 may also be formed with an alternating notch depth in a rib 3.
  • 3 schematically shows an oblique view of a pipe section of the heat exchanger tube 1 with a further structure according to the invention on the tube inside 22.
  • Several projections 6 are deformed in the direction of the tube wall 2, so that cavities 10 form between a respective projection and the tube wall 2.
  • the distance of the tips 61 of a projection to the pipe wall is less than the residual rib height. It thus creates a hook-like shape.
  • it may be a projection 6 deformed such that the tip 61, the pipe inside 22 touches. In this case, not shown in FIG. 3, a loop-like shape is preferably produced.
  • the projections 6 are in turn formed by cutting the ribs 3 analogous to Figures 1 and 2.
  • FIG. 4 schematically shows a rib section 31 with different notch depth ti, t 2 , t 3 .
  • the projections 6 have alternating notch depths ti, t 2 , t 3 through a rib 3. Dashed lines indicated in Fig. 4, the original shaped helically encircling rib 3. From this, the projections 6 by cutting the rib 3 with a notching / cutting depth ti, t 2 , t 3 transverse to the rib shape to form fin layers and by lifting formed the rib layers with a main orientation along the rib course.
  • the different notching / cutting depths ti, t 2 , t 3 are therefore dimensioned at the notch depth of the original rib in the radial direction.
  • the protrusion height h is shown in FIG. 2 as the dimension of a protrusion in the radial direction.
  • the projection height h is then in the radial direction Route starting from the pipe wall to the remote from the pipe wall point of the projection.
  • the notch depth t ,, t 2 , t 3 is the distance measured in the radial direction, starting from the original rib tip to the lowest point of the notch.
  • the notch depth is the difference between the original rib height and the residual rib height remaining at the lowest point of a notch.
  • FIG. 5 schematically shows a rib section 31 with two projections 6 touching one another along the rib course.
  • FIG. 6 also shows schematically a rib section 31 with two projections 6 crossing one another along the rib path.
  • FIG. 7 also schematically shows a rib section Fig. 8 shows schematically a rib section 31 with two projections 6 crossing each other over the primary groove.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragerrohr (1) mit einer Rohrlängsachse (A), wobei aus der Rohrwand (2) auf der Rohraußenseite (21) und/oder Rohrinnenseite (22) kontinuierlich verlaufende, achsparallele oder helixförmig umlaufende Rippen (3) geformt sind, zwischen jeweils benachbarten Rippen (3) sich kontinuierlich erstreckende Primärnuten (4) gebildet sind, die Rippen (3) mindestens einen strukturierten Bereich auf der Rohraußenseite und/oder Rohrinnenseite aufweisen und der strukturierte Bereich eine Mehrzahl von aus der Oberfläche herausragenden Vorsprüngen (6) mit einer Vorsprungshöhe (h) aufweist, wodurch die Vorsprünge (6) durch Einkerbungen (7) getrennt sind. Erfindungsgemäß sind mehrere Vorsprünge (6) soweit paarweise zueinander verformt, dass sich Kavitäten (10) zwischen benachbarten Vorsprüngen ausbilden. Des Weiteren sind erfindungsgemäß mehrere Vorsprünge in Richtung Rohrwand verformt, so dass sich Kavitäten zwischen einem jeweiligen Vorsprung und der Rohrwand ausbilden.

Description

Beschreibung
Wärmeübertragerrohr Die Erfindung betrifft metallische Wärmeübertragerrohre gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2.
Derartige metallische Wärmeübertragerrohre dienen insbesondere zur Verdampfung von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohraußenseite.
Verdampfung tritt in vielen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik sowie in der Prozess- und Energietechnik auf. Häufig werden Rohrbündelwärmeaustauscher verwendet, in denen Flüssigkeiten von Reinstoffen oder Mischungen auf der Rohraußenseite verdampfen und dabei auf der Rohrinnenseite eine Sole oder Wasser abkühlen. Solche Apparate werden als überflutete Verdampfer bezeichnet.
Durch die Intensivierung des Wärmeübergangs auf der Rohraußen- und der Rohrinnenseite lässt sich die Größe der Verdampfer stark reduzieren. Hierdurch nehmen die Herstellungskosten solcher Apparate ab. Außerdem sinkt die notwendige Füllmenge an Kältemittel, die bei den heute überwiegend verwendeten, chlorfreien Sicherheitskältemitteln einen nicht zu vernachlässigenden Kostenanteil an den gesamten Anlagekosten ausmachen kann. Bei toxischen oder brennbaren Kältemitteln lässt sich durch eine Reduktion der Füllmenge ferner das Gefahrenpotenzial herabsetzen. Die heute üblichen Hochleistungsrohre sind bereits etwa um den Faktor vier leistungsfähiger als glatte Rohre gleichen Durchmessers.
Es ist Stand der Technik, derartig leistungsfähige Rohre auf der Basis von integral gewalzten Rippenrohren herzustellen. Unter integral gewalzten Rippenrohren werden berippte Rohre verstanden, bei denen die Rippen aus dem Wandmaterial eines Glattrohres geformt wurden. Es sind hierbei verschiedene Verfahren bekannt, mit denen die zwischen benachbarten Rippen befindlichen Kanäle derart verschlossen werden, dass Verbindungen zwischen Kanal und Umgebung in Form von Poren oder Schlitzen bleiben. Insbesondere werden solche im Wesentlichen geschlossene Kanäle durch Umbiegen oder Umlegen der Rippen (US 3,696,861 ; US 5,054,548; US 7,178,361 B2), durch Spalten und Stauchen der Rippen (DE 2 758 526 C2; US 4,577,381) und durch Kerben und Stauchen der Rippen (US 4,660,630; EP 0 713 072 B1 ; US 4,216,826) erzeugt.
Die leistungsstärksten, kommerziell erhältlichen Rippenrohre für überflutete Verdampfer besitzen auf der Rohraußenseite eine Rippenstruktur mit einer Rippendichte von 55 bis 60 Rippen pro Zoll (US 5,669,441 ; US 5,697,430; DE 197 57 526 C1). Dies entspricht einer Rippenteilung von ca. 0,45 bis 0,40 mm. Prinzipiell ist es möglich, die Leistungsfähigkeit derartiger Rohre durch eine noch höhere Rippendichte bzw. kleinere Rippenteilung zu verbessern, da hierdurch die Blasenkeimstellendichte erhöht wird. Eine kleinere Rippenteilung erfordert zwangsläufig gleichermaßen feinere Werkzeuge. Feinere Werkzeuge sind jedoch einer höheren Bruchgefahr und schnellerem Verschleiß unterworfen. Die derzeit verfügbaren Werkzeuge ermöglichen eine sichere Fertigung von Rippenrohren mit Rippendichten von maximal 60 Rippen pro Zoll. Ferner wird mit abnehmender Rippenteilung die Produktionsgeschwindigkeit der Rohre geringer und folglich werden die Herstellungskosten höher. Weiterhin ist bekannt, dass leistungsgesteigerte Verdampfungsstrukturen bei gleichbleibender Rippendichte auf der Rohraußenseite erzeugt werden können, indem man zusätzliche Strukturelemente im Bereich des Nutengrundes zwischen den Rippen einbringt. Da im Bereich des Nutengrundes die Temperatur der Rippe höher ist als im Bereich der Rippenspitze, sind Strukturelemente zur Intensivierung der Blasenbildung in diesem Bereich besonders wirkungsvoll. Beispiele hierfür sind in EP 0 222 100 B1 ; US 5,186,252; JP 04039596A und US 2007/0151715 A1 zu finden. Diesen Erfindungen ist gemeinsam, dass die Strukturelemente am Nutengrund keine hinterschnittene Form aufweisen, weshalb sie die Blasenbildung nicht ausreichend intensivieren. In EP 1 223 400 B1 und EP 2 101 136 B1 wird vorgeschlagen, am Nutengrund zwischen den Rippen hinterschnittene Sekundärnuten zu erzeugen, die sich kontinuierlich entlang der Primärnut erstrecken. Der Querschnitt dieser Sekundärnuten kann konstant bleiben oder in regelmäßigen Abständen variiert werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leistungsgesteigertes Wärmeaustauscherrohr zur Verdampfung von Flüssigkeiten anzugeben.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt ein Wärmeübertragerrohr mit einer Rohrlängsachse ein, wobei aus der Rohrwand auf der Rohraußenseite und/oder Rohrinnenseite kontinuierlich verlaufende, achsparallele oder helixförmig umlaufende Rippen geformt sind, zwischen jeweils benachbarten Rippen sich kontinuierlich erstreckende Primärnuten gebildet sind, die Rippen mindestens einen strukturierten Bereich auf der Rohraußenseite und/oder Rohrinnenseite aufweisen und der strukturierte Bereich eine Mehrzahl von aus der Oberfläche herausragenden Vorsprüngen mit einer Vorsprungshöhe aufweist, wodurch die Vorsprünge durch Einkerbungen getrennt sind. Erfindungsgemäß sind mehrere Vorsprünge soweit paarweise zueinander verformt, dass sich Kavitäten zwischen benachbarten Vorsprüngen ausbilden.
Des Weiteren schließt die Erfindung ein Wärmeübertragerrohr mit einer Rohrlängsachse ein, wobei aus der Rohrwand auf der Rohraußenseite und/oder Rohrinnenseite kontinuierlich verlaufende, achsparallele oder helixförmig umlaufende Rippen geformt sind, zwischen jeweils benachbarten Rippen sich kontinuierlich erstreckende Primärnuten gebildet sind, die Rippen mindestens einen strukturierten Bereich auf der Rohraußenseite und/oder Rohrinnenseite aufweisen und der strukturierte Bereich eine Mehrzahl von aus der Oberfläche herausragenden Vorsprüngen mit einer Vorsprungshöhe aufweist, wodurch die Vorsprünge durch Einkerbungen getrennt sind. Erfindungsgemäß sind mehrere Vorsprünge in Richtung Rohrwand verformt, so dass sich Kavitäten zwischen einem jeweiligen Vorsprung und der Rohrwand ausbilden. Bei beiden erfindungsgemäßen Lösungen 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. Ebenso eignen sich die Strukturen für einphasige Fluidströmungen, wie beispielsweise Wasser.
Eine Kavität bei benachbarten Vorsprüngen liegt dann vor, wenn sich der jeweils kürzeste Abstand zwischen benachbarten Vorsprüngen ausgehend von der Rohrwand bis zur von der Rohrwand entferntesten Stelle der Vorsprünge verringert. Mit anderen Worten: Die eine Kavität ausbildenden benachbarte Vorsprünge neigen sich aufeinander zu.
Anders ausgedrückt: Die Kavität wird mit den jeweils sich gegenüber stehenden konkaven Flächen benachbarter Vorsprünge gebildet. So erstrecken sich die eine Kavität bildenden Flächen der benachbarten Vorsprünge über ihr gewölbeartig.
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 Kerbtiefe der Einkerbungen 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 Hohlräume, die zwischen der Rohrwand und den umgelegten Vorsprüngen bzw. zwischen benachbarten Vorsprüngen gebildet werden, die erfindungsgemäßen Kavitäten ausbilden. Zur Erzeugung der Kavitäten werden die Vorsprünge so geschnitten und aufgestellt bzw. umgelegt, damit diese solche Kavitäten bilden. Dabei gibt es unterschiedliche Ausführungsformen, bei denen die Vorsprünge die Rohrwand berühren oder auch ohne direkten Kontakt Kavitäten bilden. Die Herstellung kann direkt über angepasste Schneidgeometrien oder über einen sekundären Umformprozess erfolgen, wobei das verwendete Sekundärwerkzeug glatt oder über eine zusätzliche Struktur verfügen kann.
Prinzipiell können bei der Verdampfung beispielsweise auf der Rohrinnenseite die Rohre waagrecht oder senkrecht angeordnet sein. Ferner gibt es Fälle, in denen die Rohre geringfügig gegenüber der waagrechten oder der senkrechten geneigt sind. In der Kältetechnik werden üblicherweise Verdampfer mit horizontalen Rohren eingesetzt. Dagegen werden in der Chemietechnik zur Beheizung von Destillationskolonnen häufig vertikale Umlaufverdampfer verwendet. Die Verdampfung des Stoffes findet dabei auf der Innenseite von senkrechten Rohren statt.
Um den Wärmetransport zwischen dem Wärme abgebenden Medium und dem verdampfenden Stoff zu ermöglichen, muss die Temperatur des wärmeabgebenden Mediums höher sein als die Sättigungstemperatur des Stoffs. Diesen Temperaturunterschied bezeichnet man alstreibende Temperaturdifferenz. Je höher die treibende Temperaturdifferenz ist, desto mehr Wärme kann übertragen werden. Andererseits ist meist das Bestreben, die treibende Temperaturdifferenz klein zu halten, da dies vorteilhaft für die Prozesseffizienz ist.
Durch die erfindungsgemäßen Kavitäten wird zur Erhöhung des Wärmeüber- gangskoeffizienten bei der Verdampfung der Vorgang des Blasensiedens intensiviert. Die Bildung von Blasen beginnt an Keimstellen. Diese Keimstellen sind meist kleine Gas- oder Dampfeinschlüsse. Wenn die anwachsende Blase eine bestimmte Größe erreicht hat, löst sie sich von der Oberfläche ab. Wird im Zuge der Blasenablösung die Keimstelle mit Flüssigkeit geflutet, dann wird die Keimstelle deaktiviert. Die Oberfläche muss also derart als Kavität gestaltet werden, dass beim Ablösen der Blase eine kleine Blase bestehen bleibt, die dann als Keimstelle für einen neuen Zyklus der Blasenbildung dient. Dies wird erreicht, indem man auf der Oberfläche Kavitäten anordnet, in denen nach Ablösung der Blase eine kleine Blase zurück bleiben kann.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können sich die Spitzen von zumindest zwei Vorsprüngen entlang dem Rippenverlauf 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.
Vorteilhafterweise können sich die Spitzen von zumindest zwei Vorsprüngen über die Primärnut hinweg gegenseitig berühren oder überkreuzen. Dies ist im reversiblen Betrieb beim Phasenwechsel von Vorteil, da die Vorsprünge für die Verflüssigung wiederum weit aus dem Kondensat ragen und für die Verdampfung eine Art Kavität ausbilden.
Demgegenüber ist es auch möglich, dass der Abstand der Spitze des Vorsprungs zur Rohrwand geringer ist als die Restrippenhöhe. Hierdurch erhält der Vorsprung eine hakenartige bzw. ösenartige Form unmittelbar über der Rohrwand. Derartig gerundete Formen sind bei Verdampfungsprozessen für eine Blasenkeimbildung besonders vorteilhaft.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann mindestens einer der Vorsprünge derartig verformt sein, dass dessen Spitze die Rohrinnenseite berührt. Hierdurch wird ein Blasenkeim durch eine wiederum hakenartige bzw. ösenartige Form des Vorsprungs beim Phasenübergang eines fluiden Wärmeträgermediums nahe an der Rohrwand gebildet. Über die Rohrwand findet dort ein besonders intensiver Wärmeaustausch in das Fluid statt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Einkerbungen durch Schneiden der Innenrippen mit einer Schneidtiefe quer zum Rippenverlauf zur Bildung von Rippenschichten und durch Anheben der Rippenschichten mit einer Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf zwischen Primärnuten ausgeformt sein.
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 Rippenschichten und eine Anhebekante zum Anheben der Rippenschichten 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.
Hiermit lässt sich die Vorsprungshöhe und Abstand variabel gestalten und individuell auf die Anforderungen des in Betracht kommenden Fluids, beispielsweise hinsichtlich Viskosität der Flüssigkeit, Strömungsgeschwindigkeit, anpassen.
Vorteilhafterweise können die Vorsprünge in Vorsprungshöhe, Form und Ausrichtung untereinander variieren. Hierdurch lassen sich die einzelnen Vorsprünge gezielt aufeinander anpassen sowie zueinander variieren, damit besonders bei laminarer Strömung durch unterschiedliche Rippenhöhen in die unterschiedlichen Grenzschichten der Strömung eintaucht, um die Wärme an die Rohrwand abzuleiten. Damit lässt sich auch die Vorsprungshöhe und der Abstand individuell auf die Anforderungen, beispielsweise der Viskosität des Fluids oder der Strömungsgeschwindigkeit, anpassen.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung 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 besonders bevorzugter Ausführungsform kann ein Vorsprung an der von der Rohrwand abgewandten Seite eine gekrümmte Spitze aufweisen, deren lokaler Krümmungsradius mit entlang dem Vorsprungsverlauf zunehmender Entfernung von der Rohrwand verkleinert ist. Dies hat zum Vorteil, dass insbesondere bei Kondensation das an der Spitze 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 ein konvex gekrümmter Vorsprung eine ideale Grundlage zur effektiven Wärmeübertragung. Die Basis des Vorsprungs steht dabei im Wesentlichen radial von der Rohrwand ab. So können sich gleiche oder ähnliche Strukturelemente sowohl für ein Verdampferrohr wie auch für ein Kondensatorrohr gleichermaßen eignen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Schrägansicht eines Rohrausschnitts des Wärmeübertragerrohrs mit einer erfindungsgemäßen Struktur auf der Rohrinnenseite;
Fig. 2 schematisch eine Schrägansicht eines Rohrausschnitts des
Wärmeübertragerrohrs mit einer weiteren erfindungsgemäßen Struktur;
Fig. 3 schematisch eine Schrägansicht eines Rohrausschnitts des Wärmeübertragerrohrs mit einer weiteren erfindungsgemäßen Struktur auf der Rohrinnenseite;
Fig. 4 schematisch einen Rippenabschnitt mit unterschiedlicher Kerbtiefe;
Fig. 5 schematisch einen Rippenabschnitt mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf sich gegenseitig berührenden Vorsprüngen;
Fig. 6 schematisch einen Rippenabschnitt mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf sich gegenseitig überkreuzenden Vorsprüngen;
Fig. 7 schematisch einen Rippenabschnitt mit zwei sich über die Primärnut hinweg gegenseitig berührenden Vorsprüngen; und
Fig. 8 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 einer 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 3 unter einem gewissen Winkel. Zwischen jeweils benachbarten Rippen 3 sind sich kontinuierlich erstreckende Primärnuten 4 gebildet.
Mehrere Vorsprünge 6 sind soweit paarweise zueinander verformt, dass sich Kavitäten 10 zwischen benachbarten Vorsprüngen 6 ausbilden. Hierbei berühren sich die Spitzen 61 von zumindest zwei Vorsprüngen 6 entlang dem Rippenverlauf gegenseitig.
Die Vorsprünge 6 sind durch Schneiden der Rippen 3 mit einer Schneidtiefe quer zum Rippenverlauf zur Bildung von Rippenschichten und durch Anheben der Rippenschichten mit einer Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf zwischen Primärnuten 4 ausgeformt. Die Einkerbungen 7 zwischen den Vorsprüngen 6 können auch mit einer wechselnden Kerbtiefe in einer Rippe 3 ausgebildet sein.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Schrägansicht eines Rohrausschnitts des Wärmeübertragerrohrs 1 mit einer weiteren erfindungsgemäßen Struktur. Mehrere Vorsprünge 6 sind soweit paarweise zueinander verformt, dass sich Kavitäten 10 zwischen benachbarten Vorsprüngen 6 ausbilden. Hierbei reichen die Spitzen 61 von zumindest zwei Vorsprüngen 6 über die Primärnut 4 hinweg und berühren sich gegenseitig. Die Spitzen 61 von paarweise zueinander verformten Vorsprüngen 6 können jedoch auch noch einen gewissen Abstand zueinander haben. Dieser ist jedoch so gering, dass sich dennoch wirksame Kavitäten 10 ausbilden.
Die Vorsprünge 6 sind wiederum durch Schneiden der Rippen 3 mit einer Schneidtiefe quer zum Rippenverlauf zur Bildung von Rippenschichten und durch Anheben der Rippenschichten mit einer Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf zwischen Primärnuten 4 ausgeformt. Die Einkerbungen 7 zwischen den Vorsprüngen 6 können auch mit einer wechselnden Kerbtiefe in einer Rippe 3 ausgebildet sein. Fig. 3 zeigt schematisch eine Schrägansicht eines Rohrausschnitts des Wärmeübertragerrohrs 1 mit einer weiteren erfindungsgemäßen Struktur auf der Rohrinnenseite 22. Mehrere Vorsprünge 6 sind in Richtung Rohrwand 2 verformt, so dass sich Kavitäten 10 zwischen einem jeweiligen Vorsprung und der Rohrwand 2 ausbilden.
Hierbei ist der Abstand der Spitzen 61 eines Vorsprungs zur Rohrwand geringer ist als die Restrippenhöhe. Es entsteht folglich eine hakenartige Form. Es kann jedoch ein Vorsprung 6 derartig verformt sein, dass dessen Spitze 61 die Rohrinnenseite 22 berührt. In diesem in Figur 3 nicht dargestellten Fall entsteht bevorzugt eine ösenartige Form. Die Vorsprünge 6 sind wiederum durch Schneiden der Rippen 3 analog zu den Figuren 1 und 2 ausgebildet.
Fig. 4 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit unterschiedlicher Kerbtiefe ti, t2, t3. Die Bezeichnungen Schneidtiefe bzw. Kerbtiefe stellen im Rahmen der Erfindung dieselbe Begrifflichkeit dar. Die Vorsprünge 6 weisen alternierend wechselnde Kerbtiefen ti, t2, t3 durch eine Rippe 3 auf. Gestrichelt angedeutet ist in der Fig. 4 die originäre geformte helixförmig umlaufende Rippe 3. Aus dieser sind die Vorsprünge 6 durch Schneiden der Rippe 3 mit einer Kerb-/Schneidtiefe ti, t2, t3 quer zum Rippenverlauf zur Bildung von Rippenschichten und durch Anheben der Rippenschichten mit einer Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf ausgeformt. Die unterschiedlichen Kerb-/Schneidtiefen ti, 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 t,, 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. 5 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf sich gegenseitig berührenden Vorsprüngen 6. Des Weiteren zeigt Fig. 6 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf gegenseitig überkreuzenden Vorsprüngen 6. Auch Fig. 7 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit zwei sich über die Primärnut hinweg gegenseitig berührenden Vorsprüngen 6. Fig. 8 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit zwei sich über die Primärnut hinweg gegenseitig überkreuzenden Vorsprüngen 6.
Bei den in den Fig. 5 bis 8 dargestellten Strukturelementen ist speziell im reversiblen Betrieb bei zweiphasigen Fluiden von Vorteil, dass diese für die Verdampfung eine Art Kavität I O ausbilden. Die Kavitäten 10 dieser besonderen Art bilden die Ausgangsstellen für Blasenkeime eines verdampfenden Fluids.
Bezugszeichenliste
Wärmeübertragerrohr
Rohrwand
Rohraußenseite
Rohrinnenseite
Rippe
Rippenabschnitt
Primärnut
Vorsprung
Spitze
Einkerbungen
Kavität
Rohrlängsachse
erste Schneidtiefe
zweite Schneidtiefe
dritte Schneidtiefe
Vorsprungshöhe

Claims

Patentansprüche
Wärmeübertragerrohr (1) mit einer Rohrlängsachse (A), wobei
- aus der Rohrwand (2) auf der Rohraußenseite (21) und/oder
Rohrinnenseite (22) kontinuierlich verlaufende, achsparallele oder helixförmig umlaufende Rippen (3) geformt sind,
- zwischen jeweils benachbarten Rippen (3) sich kontinuierlich
erstreckende Primärnuten (4) gebildet sind,
- die Rippen (3) mindestens einen strukturierten Bereich auf der
Rohraußenseite (21) und/oder Rohrinnenseite (22) aufweisen,
- der strukturierte Bereich eine Mehrzahl von aus der Oberfläche herausragenden Vorsprüngen (6) mit einer Vorsprungshöhe (h) aufweist, wodurch die Vorsprünge (6) durch Einkerbungen (7) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Vorsprünge (6) soweit paarweise zueinander verformt sind, dass sich Kavitäten (10) zwischen benachbarten Vorsprüngen ausbilden.
Wärmeübertragerrohr (1) mit einer Rohrlängsachse (A), wobei
- aus der Rohrwand (2) auf der Rohraußenseite (21) und/oder
Rohrinnenseite (22) kontinuierlich verlaufende, achsparallele oder helixförmig umlaufende Rippen (3) geformt sind,
- zwischen jeweils benachbarten Rippen (3) sich kontinuierlich
erstreckende Primärnuten (4) gebildet sind,
- die Rippen (3) mindestens einen strukturierten Bereich auf der
Rohraußenseite (21) und/oder Rohrinnenseite (22) aufweisen,
- der strukturierte Bereich eine Mehrzahl von aus der Oberfläche herausragenden Vorsprüngen (6) mit einer Vorsprungshöhe (h) aufweist, wodurch die Vorsprünge (6) durch Einkerbungen (7) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vorsprünge (6) in Richtung Rohrwand (2) verformt sind, so dass sich Kavitäten (10) zwischen einem jeweiligen Vorsprung und der Rohrwand ausbilden. 3. Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spitzen (61) von zumindest zwei Vorsprüngen (6) entlang dem Rippenverlauf gegenseitig berühren oder überkreuzen.
Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spitzen (61) von zumindest zwei Vorsprüngen (6) über die
Primärnut (4) hinweg gegenseitig berühren oder überkreuzen.
Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Spitze (61) des Vorsprungs zur Rohrwand geringer ist als die Restrippenhöhe.
Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Vorsprünge (6) derartig verformt ist, dass dessen Spitze (61) die Rohrinnenseite (22) berührt.
Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkerbungen (7) durch Schneiden der
Innenrippen (3) mit einer Schneidtiefe (ti, t2, t3) quer zum Rippenverlauf zur Bildung von Rippenschichten und durch Anheben der Rippenschichten mit einer Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf zwischen
Primärnuten (4) ausgeformt sind.
8. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (6) in Vorsprungshöhe (h), Form und Ausrichtung untereinander variieren.
9. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsprung (6) an der von der Rohrwand (2) abgewandten Seite eine spitz zulaufende Spitze (61) aufweist. 10. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsprung (6) an der von der Rohrwand (2) abgewandten Seite eine gekrümmte Spitze (61) aufweist, deren lokaler Krümmungsradius mit entlang dem Vorsprungsverlauf zunehmender Entfernung von der Rohrwand (2) verkleinert ist.
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