[0001] Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschrohr mit einer strukturierten inneren Oberfläche
nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 zur Verdampfung von Flüssigkeiten oder Kondensation
von Gasen, bestehend aus Reinstoffen oder Gemischen, auf der Rohrinnenseite.
[0002] Ein weltweiter Wettbewerb bei Wärmeaustauschern, z.B. Lamellenblock-Wärmeaustauschern
(vgl. Fig. 1) für die Kälte- und Klimatechnik, erfordert hochleistende, mit wenig
Material und kostengünstig in wenigen Arbeitsschritten produzierte Wärmeaustauschrohre.
Die Wärmeaustauschrohre sind dabei in Lamellenblock-Wärmeaustauschern zumeist horizontal
angeordnet.
[0003] Da Klimageräte oftmals als umschaltbar zwischen Sommer(Kühl)-/Winter(Heiz)-Betrieb
ausgelegt sind, müssen die Lamellenblock-Wärmeaustauscher und somit die Wärmeaustauschrohre
der Innenraum- bzw. Außen-Einheit einer Klimaanlage je nach Betriebsart mal im Verdampfungs-
und mal im Kondensationsmodus betrieben werden. Entsprechend werden oft Rohre mit
guten Leistungseigenschaften in beiden Modi gefordert.
Stand der Technik:
[0004] Zum Stand der Technik zählt ein Wärmeaustauschrohr nach
![](https://data.epo.org/publication-server/image?imagePath=2003/37/DOC/EPNWA2/EP03003894NWA2/imgb0001)
EP 0.591.094 A1, bei dem auf der inneren Oberfläche Rippen gleicher Form unter einem
Steigungswinkel gegenüber der Längsrichtung des Rohres spiralförmig umlaufen. Insbesondere
bei Verdampfung fördert die Spiralstruktur eine vollständige Benetzung des gesamten
Rohrumfangs und erzielt so eine Verbesserung des Wärmeübergangs. Allerdings fällt
die Wärmeübergangsleistung insbesondere bei Kondensation gegenüber den nachstehend
aufgeführten Strukturen deutlich zurück.
![](https://data.epo.org/publication-server/image?imagePath=2003/37/DOC/EPNWA2/EP03003894NWA2/imgb0002)
DE 196 28 280 C2, bei dem in Umfangsrichtung des Rohres sektionsweise zwischen zwei
verschiedenen Richtungen für die Ausrichtung der Rippen gewechselt wird. Eine Drallströmung
kann sich hier- aufgrund der fehlenden Vorzugsrichtung und im Gegensatz zu helixförmigen
Strukturen - nicht ausbilden. Diese Form der Strukturierung der inneren Oberfläche
erweist sich bei Verdampfung als wenig geeignet, da deutlich geringere Verdampfungsleistungen
erzielt werden als in Rohren, deren Oberfläche eine eindeutige Vorzugsrichtung für
die wandnahe Strömung aufweist. Bei Kondensation andererseits zeigt diese Struktur,
da einen vollständige Benetzung eben nicht durch die Struktur gefördert und dadurch
die den Wärmeübergang bei Kondensation limitierende Filmdicke in der oberen Rohrhälfte
dünn gehalten wird , herausragende Wärmeübergangsleistungen, bei allerdings auch deutlich
vergrößertem Druckabfall.
![](https://data.epo.org/publication-server/image?imagePath=2003/37/DOC/EPNWA2/EP03003894NWA2/imgb0003)
US 6.298.909 B1, bei dem ähnlich zu DE 196 28 280 C2 in Umfangsrichtung des Rohres
sektionsweise zwischen zwei verschiedenen Richtungen für die Ausrichtung der Rippen
gewechselt wird. Um dem deutlich höheren Druckabfall dieser Strukturen zu begegnen,
wurde die Rippenhöhe im Übergangsbereich zweier Sektionen erniedrigt durch eine entsprechende
Werkzeuggestaltung mit dem Nachteil, dass in diesem Übergangsbereich die Wanddicke
ansteigt und so das Rohrgewicht erhöht wird, ohne dieses zusätzliche Material weder
zur Verbesserung der Wärmeübergangsleistung zu nutzen noch zur Verbesserung der mechanischen
Eigenschaften zu benötigen. Wie zuvor zeigt diese Struktur sehr gute Kondensations-,
aber gegenüber dem Stand der Technik deutlich abfallende Verdampfungsergebnisse.
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EP 1.087.198 A1 und JP-OS 10-047.880 (Kobe Steel), bei denen ähnlich zu DE 196 28
280 C2 in Umfangsrichtung des Rohres sektionsweise zwischen zwei verschiedenen Richtungen
für die Ausrichtung der Rippen gewechselt wird. Allerdings sind hier die Zonen alternierend
unterschiedlich breit ausgeführt, so dass sich wieder eine dominierende spiralförmige
Vorzugsrichtung ausbilden kann, welche bei Verdampfung die vollständige Benetzung
des Rohrumfangs unterstützt und den Wärmeübergang fördert. Andererseits wird die Spiralstruktur
genügend oft unterbrochen, so dass diese Struktur bezüglich der Kondensationsleistung
ähnlich gute Werte zeigt wie Strukturen nach DE 196 28 280 C2. Nachteilig wirkt sich
ähnlich wie bei DE 196 28 280 C2 der hohe Druckabfall der Rohre aus.
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JP-OS 04-158.193 (Furukawa), bei dem die Rohrinnenoberfläche in Umfangsrichtung des
Rohres in Sektionen unterteilt ist und sektionsweise die Rippengeometrie bzgl. Steigungswinkel,
Rippenanzahl und Rippenhöhe wechselt.
![](https://data.epo.org/publication-server/image?imagePath=2003/37/DOC/EPNWA2/EP03003894NWA2/imgb0006)
JP-OS 2000-283.680 (Kobe Steel), bei dem in Umfangsrichtung des Rohres sektionsweise
zwischen Zonen mit schräg zur Längsachse verlaufenden Rippen und Zonen, in denen diese
Rippen zusätzlich gekerbt wurden, gewechselt wird. Nachteilig ist, dass die Kerbung
der Rippen einen zweiten Walzschritt und ein zusätzliches Werkzeug erfordert und so
den Produktionsaufwand vergrößert. Zudem wird eine Reduzierung des Rohrgewichtes trotz
des Ausformens der Mulden nicht erreicht, da dass Material lediglich in die zuvor
geformten Kanäle zwischen den Rippen verdrängt wird.
![](https://data.epo.org/publication-server/image?imagePath=2003/37/DOC/EPNWA2/EP03003894NWA2/imgb0007)
JP-OS 02-280.933 (Furukawa), bei dem auf dem gesamten Rohrumfang eine gitterartige
Rippenstruktur vorliegt. Allerdings behindern die grundsätzlich in den Kanälen zwischen
den Primärrippen vorhandenen Sekundärrippen das Entstehen einer Drallströmung und
somit eine die Verdampfung fördernde vollständige Benetzung des Rohrumfangs, da Bereiche
mit einer eindeutigen und auch durch Sekundärrippen nicht gestörten Zone nicht vorliegen.
Aufgabe:
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmeaustauschrohr mit einer inneren Oberflächenstruktur
zu schaffen, welche ein Optimum zwischen folgenden Anforderungen darstellt: einer
gegenüber dem Stand der Technik guten oderverbesserten Wärmeübergangsleistung bei
sowohl Kondensation als auch Verdampfung; einem geringen Druckabfall, einem möglichst
niedrigem Rohrgewicht und einem verminderten, nach Anzahl der Struktur-Prägeschritte
zählenden Produktionsaufwand.
[0006] Die Aufgabe wird bei Wärmeaustauschrohren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß
dadurch gelöst, dass die Innenoberfläche in Umfangsrichtung in mindestens zwei parallel
zur Rohrlängsachse verlaufende Zonen (Z
1, Z
2, ..., Z
n) unterteilt ist, wobei die Zonen sich in mindestens zwei Zonenklassen (K
1, K
2,..., K
m) unterscheiden lassen und sich Zonen unterschiedlicher Zonenklasse in Umfangsrichtung
in beliebigerAbfolge abwechseln, wobei in Zonen mindestens einerZonenklasse (K
1, K
2, ..., K
j) Rippen mit einer Rippenhöhe h
1 und unter einem Steigungswinkel α
1 zur Rohrlängsrichtung verlaufen, so dass bei Vorliegen von mehreren Zonenklassen
(K
1, K
2, ..., K
j) sich diese in mindestens einem der Merkmale Rippenhöhe und Steigungswinkel unterscheiden,
dadurch gekennzeichnet, dass in Zonen mindestens einer weiteren Zonenklasse (K
j+1, K
j+2, ..., K
m) Rippen mit einem Steigungswinkel α
2 zur Rohrlängsrichtung und mit einer Rippenhöhe h
2 vorliegen und von unter einem Steigungswinkel α
3 zur Rohrlängsrichtung verlaufenden Rippen einer Rippenhöhe h
3 gekreuzt werden (α
3≠α
2), wobei die Rippenhöhen h
2 und h
3 der sich kreuzenden Rippen in den Zonen der Zonenklassen (K
j+1, K
j+2, ..., K
m) gleich oder vorzugsweise kleiner als die Rippenhöhen h
1 der Rippen in den in Umfangsrichtung nächstliegenden Zonen der Zonenklassen (K
1, K
2, ..., K
j) sind.
[0007] Damit ergeben sich die folgenden Vorteile der Erfindung:
![](https://data.epo.org/publication-server/image?imagePath=2003/37/DOC/EPNWA2/EP03003894NWA2/imgb0008)
Durch den Wechsel von Zonen mit unter einem Winkel zur Rohrlängsachse verlaufenden
Rippen einerseits und Zonen mit sich in gitterartigem Muster kreuzenden Rippen andererseits
ist durch die erstgenannten Zonen die Möglichkeit zur Ausbildung einer bevorzugten
Richtung einer Drallströmung gegeben, die aufgrund ihres Dralls eine vollständige
Benetzung des Rohrumfangs unterstützt und so zu einer guten und verbesserten Wärmeübergangsleistung
bei Verdampfung beiträgt. Jeweils kurz gestört wird diese Drallströmung andererseits
durch die, vorzugsweise aber nicht notwendigerweise, schmaleren Zonen mit gitterartigem
Muster, welche für eine Verwirbelung und ein Aufbrechen von Temperatur- und Konzentrationsgrenzschichten
sorgen und somit den Wärmeübergang weiter steigern können, ehe die Strömung wieder
in die bevorzugte Drallrichtung gezwungen wird. Der Schnittwinkel der sich kreuzenden
Rippen in den Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) mit gitterartigem Muster, berechnet als der Betrag des kleineren der beiden Komplementärwinkel
|(α2 -α3)| bzw. |180°-(α2-α3)|, beträgt vorzugsweise 30° bis 90° (Anspruch 2).
![](https://data.epo.org/publication-server/image?imagePath=2003/37/DOC/EPNWA2/EP03003894NWA2/imgb0009)
Für den Kondensationsbetrieb andererseits wird die Spiralstruktur mit Vorzugsrichtung
genügend oft unterbrochen und eine Drallströmung gestört durch Zonen der Zonenklassen
(Kj+1, Kj+2, ..., Km) mit sich in gitterartigem Muster kreuzenden Rippen, in denen in der oberen Rohrhälfte
ein Abführen des Kondensats und somit eine Reduzierung der Filmdicke des Kondensats
erleichtert wird. Daher zeigt diese Struktur eine sehr gute Kondensationsleistung.
Die gewählte Breite der Zonen gitterartigen Musters der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) und die so erzwungene Störung einer reinen Drallströmung stellt einen Kompromiss
dar zwischen guten Verdampfungs- und Kondensationsleistungen. Vorzugsweise wird die
Breite der Zonen sich kreuzender Rippen schmaler gewählt als die Zonen mit einfacher
Berippung; insbesondere sollte die Breite der Zonen sich kreuzender Rippen 3-70% der
Breite der Zonen mit einfacher Berippung betragen (Ansprüche 6 und 7).
![](https://data.epo.org/publication-server/image?imagePath=2003/37/DOC/EPNWA2/EP03003894NWA2/imgb0010)
Gegenüber dem Stand der Technik in EP 1.087.198 weist die erfindungsgemäße Struktur
einen verringerten Druckabfall auf, der sich aufgrund der Verringerung der Höhe der
Rippen in den parallel zur Rohrlängsrichtung verlaufenden Zonen gitterartigen Musters
der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2,..., Km) ergibt. Die Rippen sind im Vergleich zu den Rippen der Höhe h1 in vorzugsweise geringerer Rippenhöhe h2 bzw. h3 ausgeführt. So trifft hier die dem Drall folgende Strömung entgegen dem Stand der
Technik gemäß EP 1.087.198 lediglich auf Erhebungen geringerer Höhe.
![](https://data.epo.org/publication-server/image?imagePath=2003/37/DOC/EPNWA2/EP03003894NWA2/imgb0011)
Allerdings fließt das durch die Reduzierung der Höhe der Erhebungen verfügbare Material
nicht wie in US 6.298.909 in eine unnötige lokale Verstärkung der Wanddicke und somit
in eine unnötige Vergrößerung des Rohrgewichtes, sondern wird erfindungsgemäß durch
Aufbau des gitterartigen Musters bzw. der sich kreuzenden Rippen zur weiteren Vergrößerung
der Wärmeübertragungsfläche und letztlich der Leistung genutzt, während die Wanddicke,
gemessen am Nutgrund zwischen den Rippen der Höhe h1 in den Zonen der Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) bzw. in den Vertiefungen zwischen den Rippen in den Zonen gitterartigen Musters
der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) außerhalb eines möglicherweise vorhandenen Schweißnahtabschnittes, in Umfangsrichtung
des Rohres einheitlich ist (Anspruch 9). Weiterhin kann so sichergestellt werden,
dass trotz der reduzierten Rippenhöhe in den Zonen gitterartigen Musters der Zonenklassen
(Kj+1, Kj+2,..., Km) bzgl. der Bandlängung beim Walzen vergleichbare Werte wie in den Zonen der Zonenklassen
(K1, K2, ..., Kj) vorliegen. Unnötige Spannungen sowie eine eventuell auftretende Welligkeit des Bandes
können so vermieden werden.
![](https://data.epo.org/publication-server/image?imagePath=2003/37/DOC/EPNWA2/EP03003894NWA2/imgb0012)
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Struktur entsprechend den Ansprüchen 1
bis 9 besteht darin, dass diese Strukturierung in einem einzigen Walzschritt und mit
einem einzigen Walzwerkzeug zu erzielen ist. Gegenüber gekerbten Strukturen wird so
der nach Anzahl der Walz- und Arbeitsschritte zählende Produktionsaufwand reduziert.
Jedoch kann eine zusätzliche Kerbung der Rippen in einzelnen Zonen der Zonenklassen
(K1, K2, ..., Kj) (Anspruch 10) weitere Vorteile, insbesondere bzgl. einer weiteren Erhöhung der Leistung,
zeigen.
[0008] Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche
3 bis 8.
[0009] Die Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres basiert beispielhaft auf
dem im Folgenden näher beschriebenen Verfahren. Üblicherweise wird Kupfer oder eine
Kupferlegierung als Material der Wärmeaustauschrohre verwendet, jedoch ist die vorliegende
Erfindung nicht in dieser Weise beschränkt. Vielmehr kann jeder Metalltyp zur Anwendung
kommen, z.B. Aluminium. Zunächst wird ein metallisches Flachband einem einstufigen
Walzprägeschritt unterworfen, in dem es zwischen einer Strukturwalze mit einer zur
erfindungsgemäßen Struktur komplementären Oberflächengestaltung und einer Stützwalze
hindurchgeführt wird. Dabei wird eine Seite des Flachbandes mit der erfindungsgemäßen
Struktur versehen, während die zweite Seite glatt bleibt oder auch eine hier nicht
näher beschriebene Strukturierung aufweist. Lediglich die dem nachfolgenden Verschweißen
dienenden Randbereiche der ersten Seite können eventuell andersartig strukturiert
werden oder auch unstrukturiert bleiben. Nach dem Walzprägeschritt wird das strukturierte
Flachband zu einem Schlitzrohr eingeformt, in einem Schweißprozess längsnahtgeschweißt
und das Rohr gegebenenfalls noch in einem abschließenden Ziehprozeß auf den gewünschten
Außendurchmesser gebracht. Eine mögliche Beeinflussung des Wärmeübertragungsvermögens
des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres durch den die Schweißnaht umgebenden, andersartig
strukturierten oder auch unstrukturierten Bereich ist unbedeutend und kann vernachlässigt
werden.
[0010] Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
[0011] Es zeigt:
Fig. 1 einen Lamellenblock-Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 perspektivisch einen Abschnitt eines innenberippten Wärmeaustauschrohres, bei
dem ein Schweißnahtabschnitt in Rohrlängsrichtung verläuft,
Fig. 3 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit
aufgeklappter, berippter Innenoberfläche,
Fig. 4 schematisch die Definition des Steigungswinkels α,
Fig. 5 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit
aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 3, bei dem in den Zonen gerader
Nummer die sich kreuzenden Rippen ein gitterartiges Muster bilden,
Fig. 6 schematisch eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 3,
Fig. 7 schematisch eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche, bei dem in den
Zonen ungerader Nummer der Steigungswinkel von Zone zu Zone verschieden ist, und
Fig. 8 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit
aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 7, bei dem die Breite der
Zonen verschieden ist, und
Fig. 9 schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit
aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 5, bei der die Rippen in den
Zonen ungerader Nummer (Z1, Z3, ...) eine Kerbung aufweisen, und
Fig.10 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt A-A aus Fig. 8,
Fig.11 schematisch den Aufbau einer Strukturwalze zur Herstellung der erfindungsgemäßen
Wärmeaustauschrohre.
[0012] Fig. 1 zeigt einen Lamellenblock-Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik mit
horizontal angeordneten Wärmeaustauschrohren (4) und nicht näher bezifferten Lamellen.
[0013] In Fig. 2 ist ein Längenabschnitt eines längsnahtgeschweißten Wärmeaustauschrohres
(4) mit dem Außendurchmesser D dargestellt. Das Wärmeaustauschrohr (4) weist eine
glatte äußere Oberfläche, eine strukturierte Innenoberfläche und einen Schweißnahtabschnitt
(7) auf. Eine Beeinflussung der Leistung eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres
(4) durch die geringfügige Unterbrechung der Struktur der Innenoberfläche durch einen
Schweißnahtabschnitt (7) kann vernachlässigt werden. Der Schweißnahtabschnitt (7)
verläuft parallel zur Rohrlängsachse und liegt zwischen zwei in den nachfolgenden
Figuren näher dargestellten Zonen Z, ohne das Wirken des Zonenwechsels merklich zu
beeinflussen.
[0014] Fig. 3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die aufgeklappte Innenoberfläche eines
erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres (4). Die Innenoberfläche ist in Umfangsrichtung
in 5 Zonen (Z
1 bis Z
5) unterschiedlicher Breite (B
1 bis B
5) unterteilt, wobei in Zonen (Z
1, Z
3, ...) der Zonenklasse K
1 Rippen (1) unter einem Steigungswinkel α
1 zur Rohrlängsrichtung verlaufen. In den Zonen (Z
2, Z
4, ...) der Zonenklasse K
2 verlaufen Rippen (2) unter einem Steigungswinkel α
2 mit gleicher Rippenhöhe h
2, wobei die Rippen (2) gekreuzt werden durch Rippen (3) gleicher Höhe. Innerhalb einer
Zonenklasse K weisen die zugehörigen Zonen die gleiche Strukturierung hinsichtlich
des Rippenmusters, der Rippenhöhe und des Steigungswinkels auf. Bei den sich kreuzenden
Rippen (2) und (3) in Zonen der Zonenklasse K
2 sind die jeweiligen Steigungswinkel α
2 und α
3 verschieden voneinander. Dargestellt ist auch die Kernwanddicke t. In dieser besonderen
Ausführungsform sind die Rippen (2) fluchtend zu den Rippen (1) angeordnet und verlaufen
unter gleichem Steigungswinkel (α
2=α
1) zur Rohrlängsrichtung. Die Breiten der Zonen einer Zonenklasse sind jeweils gleich,
während die Zonen (Z
1, Z
3, Z
5) der Zonenklasse K
1 breiter ausgeführt sind als die Zonen (Z2, Z
4) der Zonenklasse K
2.
[0015] In Fig. 4 ist schematisch die Angabe der Steigungswinkel a verdeutlicht. Dabei wird
die Rohrlängsrichtung als Nullpunkt (0°) aufgefasst, während Rippen (1a), die in Rohrlängsrichtung
nach rechts von dieser 0°-Linie weglaufen, mit positivem Winkel (α>0) und Rippen (1
b), die in Rohrlängsrichtung nach links von dieser 0°-Linie weglaufen, mit negativem
Winkel (α<0) beschrieben werden.
[0016] Fig. 5 zeigt schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres
mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 3, bei dem in den Zonen
der Zonenklasse K
2 die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) einen Schnittwinkel, berechnet als der Betrag
des kleineren der beiden Komplementärwinkel |(α
2-α
3)| bzw. |(180°-(α
2-α
3))|,von circa 40° bilden. Dabei umschließen in den Zonen der Zonenklasse K
2 die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) eine Vertiefung (5) vollständig, in dem sie
einen geschlossenen Rippenzug rautenförmiger Art (6) bilden. Es entsteht ein gitterartiges
Muster. Dabei sind die Rippen (2) und (3) in den Zonen der Zonenklasse K
2 mit einer Rippenhöhe von h
2 bzw. h
3 kleiner als die Rippen (1) in den Zonen der Zonenklasse K
1 mit der Rippenhöhe h
1 ausgeführt. Die Rippen (3) verlaufen unter einem Winkel α
3 gegenüber der Rohrlängsrichtung. Die Kernwanddikke t des Wärmeaustauschrohres (4),
gemessen am Nutgrund (9) zwischen den Rippen (1) in den Zonen (Z
1, Z
3, ...) der zonenklasse K
1 bzw. in den Vertiefungen (5) zwischen den Rippen (2,3) in den Zonen (Z
2, Z
4, ...) der Zonenklasse K
2 außerhalb eines Schweißnahtabschnittes (7), ist in Umfangsrichtung des Rohres einheitlich.
[0017] Fig. 6 zeigt schematisch eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 3,
bei dem in Zonen (Z
2, Z
4, ...) der Zonenklasse K
2 die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) einen Schnittwinkel, berechnet als der Betrag
des kleineren der beiden Komplementärwinkel |(α
2-α
3)| bzw. |180°-(α
2-α
3)|, von circa 90° bilden.
[0018] Fig. 7 zeigt schematisch eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche, bei dem die Zonen
Z
1 bis Z
5 in drei Zonenklassen K
1 bis K
3 unterteilt sind. In den Zonen (Z
1, Z
5) der Zonenklasse K
1 ist der Steigungswinkel der Rippen (1) α
1, während in der Zone Z
3 der Zonenklasse K
2 der Steigungswinkel α
1* ist. In der gezeigten Ausführungsform wird der Steigungswinkel der Rippen (1) gegenüber
der Rohrlängsrichtung in den Zonen ungerader Nummer (Z
1, Z
3, Z
5) von Zone zu Zone alternierend gewechselt zwischen α
1 und α
1*. In den Zonen (Z
2, Z
4) der Zonenklasse K
3 bilden die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) ein gitterartiges Muster, in dem sie
mehrere Vertiefungen (5) vollständig in jeweils einem geschlossenen Rippenzug rautenförmiger
Art (6) umschließen.
[0019] Fig. 8 zeigt schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres
mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 7, bei dem die Breite
der Zonen der Zonenklasse K
3 (B
2, B
4) nur circa 50% der Breite der Zonen der Zonenklassen K
1 und K
2 (B
1, B
3, B
5) beträgt.
[0020] Fig. 9 zeigt schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres
mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 5, bei der die Rippen
in einzelnen Zonen eine Kerbung (8) aufweisen. In der gezeigten Ausführungsform weisen
die Rippen (1) der Zone Z
3 der Zonenklasse K
2 Kerben (8) auf, die fluchtend hintereinander auf Linien liegen, welche unter einem
Steigungswinkel α
4 gegenüber der Rohrlängsrichtung verlaufen. Die Kerbtiefe k der Kerben (8) entsprechend
der Darstellung in Fig. 10 beträgt mindestens 20% der Rippenhöhe h
1 der Rippen (1).
[0021] In Fig. 11 ist schematisch der Aufbau einer Strukturwalze (11) zur Herstellung der
erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre (4) dargestellt. Die Walze (11) ist aus mehreren
Scheiben (12) aufgebaut. In die einzelnen Scheiben (12) sind Nuten (13, 14, 15) eingebracht,
die beim Abrollen der Walze (11) auf dem Blechband (10), unterstützt von einer glatten
Stützwalze (16), in einem Walzprägevorgang die Rippen (1, 2, 3) in den einzelnen Zonen
Z
1 bis Z
5 erzeugen. Nach der dargestellten Strukturierung wird das Blechband (10) zu einem
Schlitzrohr geformt und längsnahtgeschweißt, so dass ein Schweißnahtabschnitt (7)
resultiert.
Zahlenbeispiel:
[0022] Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter,
berippter Innenoberfläche analog zu Fig. 5 ist gekennzeichnet durch einen Rohraußendurchmesser
von 9,52mm und eine innere Oberfläche, welche in Umfangsrichtung des Rohres in sieben
Zonen unterschiedlicher Breite unterteilt ist. Die Breite der Zonen ist alternierend
durch einen Umfangswinkel von 72° (4 breite Zonen) bzw. 24° (3 schmale Zonen) vorgegeben.
In den breiten Zonen sind in Umfangsrichtung jeweils 12 Rippen (1) mit der Rippenhöhe
h
1 von 0.25mm ausgebildet, die unter einem Steigungswinkel α
1 von +20° zur Rohrlängsachse verlaufen und in den schmalen Zonen fluchtend unter gleichem
Steigungswinkel (α
3=α
1) aber mit reduzierter Rippenhöhe h
2 von 0.15mm fortgesetzt werden. So liegen in den schmalen Zonen in Umfangsrichtung
jeweils 4 Rippen (2) vor. Die Rippen (2) werden in den Zonen gerader Nummer gekreuzt
von Rippen (3), welche unter einem entgegengesetzten Steigungswinkel α
3 von -20° zur Rohrlängsrichtung verlaufen, so dass der Schnittwinkel zwischen den
Rippen (2) und (3) 40° beträgt. Die Rippenhöhe h
3 beträgt 0.15mm. Die Rippendichte der Rippen (3) in den Zonen gerader Nummer (Z
2, Z
4, ...), gemessen als Rippenanzahl pro Längeneinheit in Richtung der Rippen (2), beträgt
1,45 pro Millimeter. Diese Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres
zeigte gegenüber einem Rohr nach dem Stand der Technik besonders gute Eigenschaften
bzgl. der Wärmeübergangsleistung und des Druckabfalls bei kleinem Metergewicht des
Rohres.
1. Wärmeaustauschrohr (4), dessen Innenoberfläche in Umfangsrichtung in mindestens zwei
parallel zur Rohrlängsachse verlaufende Zonen (Z1, Z2,..., Zn) unterteilt ist,
wobei die Zonen sich in mindestens zwei Zonenklassen (K1, K2,..., Kj, Kj+1,...., Km) unterscheiden lassen und
sich Zonen unterschiedlicher Zonenklasse in Umfangsrichtung in beliebiger Abfolge
abwechseln,
wobei in Zonen mindestens einer Zonenklasse (K1, K2, ..., Kj) Rippen (1) mit einer Rippenhöhe h1 und unter einem Steigungswinkel α1 zur Rohrlängsrichtung verlaufen, dergestalt dass bei Vorliegen von mehreren dieser
Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) sich diese in mindestens einem der Merkmale Rippenhöhe und Steigungswinkel unterscheiden,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Zonen mindestens einer weiteren Zonenklasse (Kj+1, Kj+2, ...., Km) Rippen (2) mit einem Steigungswinkel α2 zur Rohrlängsrichtung und mit einer Rippenhöhe h2 vorliegen und von unter einem Steigungswinkel α3 zur Rohrlängsrichtung verlaufenden Rippen (3) einer Rippenhöhe h3 gekreuzt werden (α3≠α2),
wobei die Rippenhöhen h2 und h3 der sich kreuzenden Rippen (2) und (3) in den Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) gleich oder vorzugsweise kleiner als die Rippenhöhen h1 der Rippen (1) in den in Umfangsrichtung nächstliegenden Zonen der Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) sind.
2. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) einen Schnittwinkel von 30° bis 90° bilden.
3. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) die Rippendichte der Rippen (3), gemessen als Rippenanzahl pro Längeneinheit in
Richtung der Rippen (2), 0.5 - 4 pro Millimeter, vorzugsweise 1 - 3 pro Millimeter,
beträgt.
4. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
in Zonen der Zonenklassen (Kj+1, Kj+2, ..., Km) die sich kreuzenden Rippen (2) und (3) ein gitterartiges Muster erzeugen, bei dem
die Rippen (2) und (3) einer Zone mindestens eine Vertiefung (5) in einem vollständigen
Kurvenzug (6) umschließen.
5. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Zonen sich in zwei Zonenklassen (K1, K2) unterscheiden lassen und die Zonen der Zonenklassen K1 und K2 sich in Umfangsrichtung alternierend abwechseln,
wobei in Zonen der Zonenklasse K1 Rippen (1) mit einer Rippenhöhe h1 und einem Steigungswinkel α1 zur Rohrlängsrichtung verlaufen
und in Zonen der Zonenklasse K2 Rippen (2) fluchtend zu den Rippen (1) unter gleichem Steigungswinkel α2 (α2=α1) zur Rohrlängsrichtung mit der Rippenhöhe h2 verlaufen und von unter einem Steigungswinkel α3 zur Rohrlängsrichtung verlaufenden Rippen (3) einer Rippenhöhe h3 gekreuzt werden (α3≠α2).
6. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite B der Zonen einer Zonenklasse, gemessen in Umfangsrichtung, jeweils gleich
ist und die Breite der Zonen der Zonenklasse K2 kleiner als die Breite der Zonen der Zonenklasse K1 ist.
7. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Zonen der Zonenklasse K2, gemessen in Umfangsrichtung, 3% bis 70% der Breite der Zonen der Zonenklasse K1 beträgt.
8. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
die Rippenhöhe h1 der Rippen (1) 0.15 - 0.40 mm beträgt.
9. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kemwanddicke des Wärmeaustauschrohres, gemessen am Nutgrund (9) zwischen den Rippen
(1) in den Zonen der Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) bzw. in den Vertiefungen (5) zwischen den Rippen (2, 3) in den Zonen der Zonenklassen
(Kj+1, Kj+2, ..., Km) außerhalb eines Schweißnahtabschnittes (7), in Umfangsrichtung des Rohres einheitlich
ist.
10. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
in einzelnen oder mehreren Zonen der Zonenklassen (K1, K2, ..., Kj) die Rippen (1) Kerben (8) aufweisen, wobei die Kerben (8) fluchtend unter einem
Winkel α4, welcher verschieden vom Steigungswinkel α1 der Rippen (1) der jeweiligen Zone ist, zur Rohrlängsrichtung verlaufen und die Kerbtiefe
k mindestens 20% der Rippenhöhe h1 der Rippen (1) der jeweiligen Zone beträgt.