Rohr für Wärmetauscherzwecke, insbesondere für Verdampfer, und Verfahren zu dessen Herstellung

Abstract

 Bei einem Metallrohr für Wärmetauscherzwecke, insbesondere für Verdampfer mit ring- oder schraubenlinienförmiger Wellung ist die innere und/oder äußere Oberfläche des Wellrohres derart plastisch verformt, daß eine gleichmäßige Mikrorauhigkeit mit einer Tiefe von 10-250µm entsteht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Rohr für Wärmetauscherzwecke insbesondere für Verdampfer, bestehend aus einem Metallrohr mit ring- oder schraubenförmiger Wellung.

[0002] Es ist bekannt, Wellrohre für Wärmetauscher einzusetzen und sich hierbei die durch die Wellung erzeugte Oberflächenvergrößerung zunutze zu machen. Derartige Rohre treten in Wettbewerb mit den sogenannten Rippenrohren.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere für den Einsatz als Verdampfer die bekannten Wellrohrwärmetauscherrohce dahingehend zu verbessern, daß eine Verdampfung an der Oberfläche der Wellrohre wesentlich intensiviert wird. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die innere und/oder die äußere Oberfläche des Wellrohres derart plastisch verformt ist, daß eine gleichmäßige Mikrorauhigkeit mit einer Tiefe von 10 bis 250 µm entsteht. Durch die Mikrorauhigkeit wird die Dampfblasenbildung beschleunigt, die Dampfblasenfrequenz erhöht, und die Anzahl der Dampfblasenbildungszentren pro Flächeneinheit wesentlich vergrößert, so daß Wärmetauscher, in denen Rohre gemäß der Lehre der Erfindung eingesetzt sind, einen höheren Wirkungsgrad als die bekannten Wärmetauscher aufweisen. Mit besonderem Vorteil entsteht die Mikrorauhigkeit durch eine Vielzahl von gleichmäßig verteilten Kegeln. Eine solche Mikrorauhigkeit läßt sich in besonders wirtschaftlicher Weise herstellen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Oberfläche des Wellrohres sandzustrahlen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherrohres. Bei diesem Verfahren wird ein von einer Vorratsspule kontinuierlich abgezogenes Metallband, vorzugsweise aus Kupfer, zwischen zwei Walzen hindurchgeführt, von denen mindestens eine eine Rändelung auf ihrer Arbeitsfläche aufweist, das Metallband wird zum Schlitzrohr verformt und seine Bandkanten werden mittels Lichtbogenschweißung unter Schutzgas verbunden. Abschließend wird das Rohr gewellt. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es gelungen, Wellrohre mit einer gleichmäßigen Mikrorauhigkeit wirtschaftlich herzustellen. Insbesondere ist das Verfahren geeignet, die innere Oberfläche eines relativ dünnwandigen Rohres mit einer Wanddicke von weniger als 0,5 mm und einem Durchmesser von weniger als 30 mm in wirtschaftlicher Weise mit der erwünschten Mikrorauhigkeit zu versehen.

[0004] Die Erfindung ist anhand der in den Figuren 1 bis 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0005] Ein Kupferrohr 1 mit schraubenlinienförmiger Wellung, welches eine Wanddicke von 0,3 mm und einen Außendurchmesser von 15 mm aufweist, weist an seiner inneren Oberfläche eine durch eine Vielzahl von gleichmäßig verteilten Einprägungen erzeugte Mikrorauhigkeit 2 auf. Ein derartig ausgebildetes Wärmetauscherrohr findet bevorzugt dort Anwendung, wo eine im Innern eines Rohres strömende Flüssigkeit durch von außen durch die Rohrwandung hindurchgeführte Wärme verdampft werden soll.

[0006] Die Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Rohrwandung, die innen mit künstlichen Siedekeimstellen (Einprägungen 3) versehen ist. Die Keimstellengeometrie ist in Form und Anordnung vorzugsweise regelmäßig. Besonders günstig erweist sich eine Keimstellenanordnung, bei der die Abstände der Keimstellen untereinander gleich sind (gleichseitige Dreiecke).

[0007] Die geometrische Form der Keimstellen ist abhängig von den Zustandyrößen des Fluids sowie von der Wandüberhitzung. Je kleiner der Öffnungsdurchmesser der Keimstellen ist, desto größer muß die Wandtemperatur gegenüber der Sattdampftemperatur sein, um die Keimstellen aktiv zu machen. Diese Überhitzungstemperatur der Heizwand kann nach Lord Kelvin und Helmholtz berechnet werden, wenn für den Blasendurchmesser derjenige der Keimstellenöffnung eingesetzt wird:

Es gilt:

Öffnungsdurchmesser der Keimstelle

= Oberflächenspannung an der Grenzfläche Flüssigkeit - Dampf

ν"= spezifisches Volumen des Dampfes

τ_S = Sattdampf temperatur

ν - Verdampfungswärme

ΔT= Temperaturdifferenz zwischen Heizwandtemperatur und Sattdampftemperatur

[0008] Um die Ekergieverluste so klein wie möglich zu halten, ist ein kleiner Wert von ΔT anzustreben. Dieses aber bedeutet, relativ große Keimstellen herzustellen. Für zu verdampfende Flüssigkeiten, deren temperaturabhängige Dichten im Bereich von 500 kg/m bis 1.600 kg/m liegen, sollten die Keimstellentiefen zwischen 50 bis 150 µm und die Öffnungsdurchmesser der Keimstellen zwischen 10 bis 200 µm liegen. Eine günstige Keimstellengeometrie stellt die Kreiskegelform dar. Besonders einfach ist eine Kegelform mit quadratischer Grundfläche herzustellen.

[0009] Der Abstand von Keimstelle zu Keimstelle sollte so bemessen sein, daß sich die Blasen beim Abreißen von der Heizwand gegenseitig nicht berühren.

[0010] Das Verfahren zur Herstellung des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Wärmetauscherrohres soll anhand der Figur 3 näher erläutert werden.

[0011] Von einer Vorratsspule 5 wird kontinuierlich ein weichgeglühtes Kupferband 6 abgezogen und zwischen zwei Walzen 7 und 8, die entweder angetrieben oder als Schleppwalzen ausgebildet sein können, hindurchgeführt. Die Oberwalze 8 weist an ihrer Arbeitsfläche eine Rändelung auf, welche in das Kupferband 6 die Einprägungen 3 in gleichmäßiger Verteilung einbringt. Hinter den Walzen 7 und 8 gelangt das Kupferband 6 in eine nicht näher dargestellte Formvorrichtung, in welcher das Kupferband 6 zum Schlitzrohr 9 geformt wird, und deren letzte Formstufe ein Ziehring 10 ist, welcher die Bandkanten eng zusammenhält. Hinter dem Ziehring 10 ist eine Schweißioxrichtung 11 angeordnet, welche das Schlitzrohr 9 unter Schutzgas mittels einer nicht abschmelzenden Elektrode zum Rohr verschweißt. Mit 12 ist ein Spannbackenabzug bezeichnet, welcher das Kupferband 6 sowie das verschweißte Rohr durch die Anlage hindurchzieht und das Rohr einer Wellvorrichtung 13 zuführt, in welcher das Rohr zu einem Wellrohr 14 verformt wird. Das Wellrohr 14 wird anschließend auf eine übliche Spule 15 aufgetrommelt.

[0012] Sollte die durch die Walzen 7 und 8 hervorgerufene plastische Verformung des Kupferbandes 6 zu einer Aufhärtung des Materials führen, die ein Formen des Bandes 6 zum Rohr erschwert bzw. die Flexibilität des Wellrohres 14 einschränkt, kann hinter den Walzen 7 und 8 eine Durchlaufglüheinrichtung vorgesehen werden, die die Aushärtung des Materials wieder rückgängig macht.

[0013] Für manche Anwendungsfälle kann es vorteilhaft sein, das Kupferband 6 nach dem Rändeln durch die Walzen 7 und 8 durch ein nicht dargestelltes Glättwalzenpaar hindurchzüführen, um die beim Rändeln entstandenen Wülste im Randbereich der Einprägungen einzuebenen bzw. "hinterschnittene" Einprägungen zu erzeugen, die die Dampfblasenablösung noch beschleunigen.

[0014] Die Wärmetauscherrohre gemäß der Lehre der Erfindung finden bevorzugt Anwendung als Verdampferrohre in Wärmetauschern für Wärmepumpenanlagen, wobei das Kältemittel im Innern des Rohres strömt und dort durch Zuführung von Wärme von außen verdampft wird. Ein anderes bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das sogenannte Wärmerohr. Hierunter versteht man ein an beiden Enden vakuumdicht verschlossenes Rohr, welches in genau bemessener Weise mit einem Arbeitsmedium gefüllt ist. Wird diesem Wärmerohr an einem Ende Wärme zugeführt, so verdampft die dort befindliche Flüssigkeit und strömt zum kühleren Ende des Wärmerohres, wo der Dampf kondensiert und das Kondensat aufgrund von Schwerkraft oder Kapillarkräften zum warmen Ende des Rohres zurücktransportiert wird. Durch die Mikrorauhigkeit wird ein Siedeverzug mit Sicherheit vermieden und der Wärmeübergang verbessert.

Ansprüche

1. Rohr für Wärmetauscherzwecke, insbesondere für Verdampfer, bestehend aus einem Metallrohr mit ring- oder schraubenförmiger Wellung, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und/oder die äußere Oberfläche des Wellrohres derart plastisch verformt ist, daß eine gleichmäßige Mikrorauhigkeit mit einer Tiefe von 10 bis 250 um entsteht.

2. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrorauhigkeit aus einer Vielzahl von gleichmäßig verteilten Kegeln besteht.

3. Rohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche sandgestrahlt ist.

4. Verfahren zur Herstellung eines Rohres nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einer Vorratsspule kontinuierlich abgezogenes Metallband, vorzugsweise aus Kupfer, zwischen zwei Walzen hindurchgeführt wird, von denen mindestens eine eine Rändelung auf ihrer Arbeitsfläche aufweist, daß das Metallband zum Schlitzrohr verformt und seine Bandkanten mittels Lichtbogenschweißung unter Schutzgas verbunden werden und daß das Rohr abschließend gewellt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallband nach dem Rändeln durch ein Glättwalzenpaar hindurchgeführt wird.

Zeichnung