Innenberipptes Wärmeaustauschrohr mit versetzt angeordneten Rippen unterschiedlicher Höhe

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauschrohr mit einer inneren strukturierten Oberfläche nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (vgl. etwa JP-A-4/158.193) bzw. der Ansprüche 2/3 (vgl. etwa DE-A-196 28 280). Das Wärmeaustauschrohr ist insbes. zur Verdampfung von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohrinnenseite geeignet. Es bietet aber auch Vorteile bei der Kondensation von Dämpfen.

[0002] Ein weltweiter Wettbewerb bei Wärmeaustauschern, z.B. Lamellenblock-Wärmeaustauschern (vgl. Fig. 1) für die Kälte- und Klimatechnik, erfordert hochleistende, mit wenig Material (geringes resultierendes Rohrgewicht) und kostengünstig in wenigen Arbeitsschritten produzierte Wärmeaustauschrohre. Die Wärmeaustauschrohre werden in oftmals zwischen Verdampfung und Kondensation umschaltbaren Lamellenblock-Wärmeaustauschern eingesetzt und sind dabei zumeist horizontal in die Lamellenblock-Wärmeaustauscher eingebaut.

[0003] Zum Stand der Technik zählt ein Wärmeaustauschrohr nach

• US-A-5.332.034, bei dem in zwei nacheinander erfolgenden Walzgängen zunächst Rippen einheitlicher Höhe auf ein Band gewalzt werden und im zweiten Walzgang Mulden in die Rippen geformt werden. Dabei wird das aus den Rippen verdrängte Material seitlich der Rippen in die Kanäle hinein verschoben. Das zweistufige Walzverfahren erfordert mehrere hintereinander geschaltete Walzwerkzeuge bei entsprechend höherem wirtschaftlichen Aufwand. Zudem wird durch diesen zweistufigen Walzprozeß eine Reduzierung des Rohrgewichtes trotz des Ausformens der Mulden nicht erreicht. Die Mulden benachbarter Rippen sind fluchtend angeordnet, so daß sich in Wandnähe neben den parallel zu und zwischen den Rippen verlaufenden Kanälen eine zweite prädestinierte Strömungsrichtung in Richtung der fluchtenden Mulden ergibt. Diese zweite Vorzugsrichtung dient zwar dem Queraustausch zwischen den Kanälen der erstgenannten Vorzugsrichtung, der zusätzlichen Turbulenzerzeugung und Steigerung der Verdampfungsleistung, doch erschwert andererseits die Existenz einer zweiten Vorzugsrichtung die gewünschte Ausbildung einer Drallströmung im wandnahen Bereich.
• DE-A-196 12 470, bei dem auf der inneren Oberfläche parallel und alternierend (oder auch einander kreuzend) hohe und niedrige Rippen mit zusätzlich in die Rippen eingebrachten Mulden ausgeformt sind. Auch hier sind die Mulden benachbarter Rippen fluchtend angeordnet.
• DE-A-196 28 280, 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 hingegen erweist sich diese Art der Oberflächenstrukturierung als vorteilhaft.
• JP-A-4/158.193, bei dem in Umfangsrichtung des Rohres sektionsweise zwischen Bereichen niedriger und hoher Rippenhöhe unterschieden wird. Allerdings wird so neben der ersten Vorzugsrichtung in Richtung der fluchtenden Rippenelemente eine zweite in Längsrichtung des Rohres über die kleinen Rippen hinweg verlaufende ausgebildet, wodurch insbesondere die Verdampferleistung stark negativ beeinflußt wird, da das strömende Fluid nicht mehr unbedingt in eine auch die obere Rohrhälfte benetzende Drallströmung gezwungen wird, sondern schlicht entlang der Sektionen niedriger Rippenhöhe und über diese kleinen Elemente hinweg in axialer Richtung abfließt.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmeaustauschrohr mit einer inneren Oberflächenstruktur zu schaffen, welche die Vorteile einer im Vergleich zum Stand der Technik guten oder verbesserten Verdampfungsleistung und gleichzeitig eines gegenüber dem Stand der Technik reduzierten Rohrgewichtes und eines verminderten, nach Anzahl der Arbeits- und Walzschritte zählenden Produktionsaufwandes verbindet.

[0005] Die Aufgabe wird bei Wärmeaustauschrohren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2 und 3 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rippen in den einzelnen Zonen (Z₁ bis Z_m) in Rohrlängsrichtung in beliebiger periodischer Kombination und Abfolge mindestens zweier Rippenhöhen (H₁ bis H_n, H₁>H₂>...>H_n) angeordnet sind, wobei benachbarte Zonen (Z₁ bis Z_m) so aneinander grenzen, dass am Übergang zweier Zonen die Rippenabfolge in Rohrlängsrichtung um mindestens eine Rippe gegeneinander versetzt ist.

[0006] Damit ergeben sich folgende Vorteile der Erfindung:

• Durch den alternierenden Wechsel hoher und niedriger Rippen in deren Längsrichtung bietet sich über die Rippen niedriger Höhe hinweg die Möglichkeit eines Queraustausches zwischen den Kanälen mit einer entsprechenden zusätzlichen Turbulenzerzeugung. Es wird allerdings durch die versetzte Anordnung der Rippen niedriger Höhe eine der fluchtenden Anordnung der Mulden aus US-A-5.332.034 ähnliche, zweite und störende Vorzugsrichtung vermieden.
• Es liegt genau eine eindeutige Vorzugsrichtung der wandnahen Strömung vor, so daß durch die so erzwungene Drallströmung eine für eine gute und verbesserte Verdampfungsleistung erforderliche, vollständige Benetzung des gesamten Rohrumfangs und gerade der oben liegenden Abschnitte der inneren Rohroberfläche erzielt wird. Bei Strukturen ohne eine einheitliche Vorzugsrichtung, wie DE-A-196 28 280, kommt es hingegen zu einer Austrocknung der oberen Abschnitte des Rohrumfangs und somit zu einer starken Reduzierung der Verdampfungsleistung.
• Im Gegensatz zum nachträglichen Formen der Mulden in einem zweiten Walzgang kann diese Struktur in einem einzigen Walzgang erzeugt werden, so daß anstelle des Verdrängens von Material aus den Rippen heraus in die Kanäle hinein, tatsächlich eine Materialeinsparung und eine Gewichtsreduzierung erzielt und zudem eine Verminderung des nach Anzahl der Arbeits- und Walzschritte zählenden Produktionsaufwandes erreicht wird.
• Strukturen mit zonenweise variierendem Steigungswinkel der Rippen nach Anspruch 2 bzw. 3, bieten vor allem aus umformtechnischer Sicht bedeutende Vorteile, da sich evtl. auftretende, durch die schräg zur Bandrichtung verlaufenden Nuten und Rippen bedingte Seitenkräfte im Walzprozeß zumindest teilweise kompensieren können und so die Bandführung erleichtert wird. Ihre wärmetechnische Leistung kann durch die erfindungsgemäß durch die verschiedenen Höhen, Fußbreiten und Querschnittsformen der Rippen unterschiedlicher Höhe zusätzlich in die Oberflächenstruktur eingebrachten Kanten, scharfkantige oder auch abgerundete Vor- und Rücksprünge noch gesteigert werden.

[0007] Die Ansprüche 4 bis 19 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre.

[0008] Durch die verschiedenen Höhen, Fußbreiten und Querschnittsformen der Rippen unterschiedlicher Höhe werden zusätzlich Kanten, scharfkantige oder auch abgerundete Vor- und Rücksprünge in die Oberflächenstruktur und in die seitlichen Begrenzungen der wandnahen Kanäle eingebracht, die einer weiteren Turbulenzerzeugung und - insbesondere bei Gemischen - einem Stören und Aufreißen sich eventuell ausbildender Temperatur- und Konzentrationsgrenzschichten dienen und als zusätzliche Dampfblasenkeime zur Verfügung stehen. (Vorteil gegenüber DE-A-196 12 470).

[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] Der Anspruch 20 betrifft die bevorzugte Ausführungsform einer Strukturwalze zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre. Der modulare Aufbau der Walze aus Scheiben bzw. Ringen, der ein schnelles Erstellen und Bewerten zahlreicher Strukturvarianten im Rahmen eines Versuchsplanes und eine zügige Anpassung der Oberflächenstrukturierung an neue Fluide und veränderte Betriebszustände durch Änderung der Zahl, Form und (Nuten-)Geometrie der Scheiben und Ringe bzw. durch Austausch einzelner Scheiben/Ringe nach dem Baukastenprinzip ermöglicht, zeigt sich als weiterer Vorteil der Erfindung.

[0011] Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0012] Es zeigt:

Fig. 1

einen Lamellenblock-Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik,

Fig.2

perspektivisch einen Abschnitt eines innenberippten Wärmeaustauschrohres,

Fig.3

schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter, berippter Innenoberfläche,

Fig.4

im vergrößerten Maßstab einen Querschnitt senkrecht zu den Rippenmittellinien durch eine hohe und eine niedrige Rippe nach Fig.3,

Fig.5

schematisch eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres analog zu Fig.3, bei dem hohe und niedrige Rippen jeweils durch einen Spalt voneinander getrennt sind,

Fig.6

schematisch den Aufbau einer Strukturwalze zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre,

Fig.7

in Schwarzweiß-Darstellung eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter Innenoberfläche, die in vier Zonen aufgeteilt ist,

Fig.8

eine Innenoberfläche nach Fig.7, bei der hohe und niedrige Rippen jeweils durch einen Spalt getrennt sind,

Fig. 9

in Schwarzweiß-Darstellung eine Draufsicht eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter Innenoberfläche, die in sechs Zonen aufgeteilt ist, wobei die Rippen positive und negative Steigungswinkel aufweisen, und

Fig. 10

in Schwarzweiß-Darstellung eine Draufsicht eines weiteren erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohres mit aufgeklappter Innenoberfläche, die in sechs Zonen aufgeteilt ist, wobei die Rippen in den beiden mittleren Zonen einen anderen Steigungswinkel aufweisen als die Rippen in den beiden jeweiligen Randzonen.

[0013] Fig. 1 zeigt einen Lamellenblock-Wärmeaustauscher nach dem Stand der Technik mit horizontal angeordneten Wärmeaustauschrohren 1 und nicht näher bezifferten Lamellen.

[0014] In Fig. 2 ist ein Längenabschnitt eines längsnahtgeschweißten Wärmeaustauschrohres 1 mit dem Außendurchmesser D dargestellt. Das Wärmeaustauschrohr 1 weist eine glatte äußere Oberfläche und eine strukturierte Innenoberfläche auf.

[0015] Fig. 3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die aufgeklappte Innenoberfläche eines solchen berippten Wärmeaustauschrohres 1. Die Innenoberfläche ist in Umfangsrichtung in vier Zonen (Z₁ bis Z₄) aufgeteilt. In jeder Zone (Z₁ bis Z₄) sind alternierend (in Rohrlängsrichtung) hohe Rippen 2 (Rippenhöhe H₁) und niedrige Rippen 3 (Rippenhöhe H₂) eingeformt, die durch Nuten 4 voneinander getrennt sind. Die Rippen 2, 3 - und die Nuten 4 - verlaufen schräg zur Rohrlängsrichtung, d.h. die Mittellinien 5 der Rippen 2, 3 bilden mit der Rohrlängsrichtung den Steigungswinkel α. Benachbarte Zonen (Z₁ bis Z₄) sind so gegeneinander versetzt, daß an den Grenzen der Zonen (Z₁ bis Z₄) jeweils eine hohe Rippe 2 und eine niedrige Rippe 3 zusammenstoßen. Die Rippenlänge innerhalb einer Zone, gemessen längs der Mittellinien 5 der Rippen 2, 3, ist mit L bezeichnet.

[0016] Fig.4 zeigt im Detail die Rippenteilung t (Abstand von Rippenmitte zu Rippenmitte, gemessen senkrecht zu den Rippenmittellinien 5), die Flankenwinkel γ₁ bzw. γ₂, die Rippenhöhen H₁ bzw. H₂ und die Rippenfußbreiten F₁ bzw. F₂. Die Flankenwinkel γ₁, γ₂ und die Fußbreiten F₁, F₂ werden ebenfalls in einer Querschnittsebene senkrecht zu den Rippenmittellinien 5 gemessen.

[0017] Fig. 5 zeigt schematisch und analog zu Fig.3 eine Draufsicht auf die aufgeklappte Innenoberfläche eines berippten Wärmeaustauschrohres 1, bei der hohe und niedrige Rippen am Übergang benachbarter Zonen jeweils durch einen Spalt 12 der Länge B (gemessen längs der verlängerten Mittellinien 5 der Rippen 2, 3) voneinander getrennt sind.

[0018] In Fig. 6 ist schematisch der Aufbau einer Strukturwalze 6 zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeaustauschrohre 1 dargestellt.

[0019] Die Walze 6 ist aus mehreren Scheiben 7 aufgebaut, die in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind. In die einzelnen Scheiben 7 sind alternierend tiefe und weniger tiefe Nuten 8, 9 eingebracht, die beim Abrollen der Walze 6 auf dem Blechband 10 in einem Walzprägevorgang die hohen Rippen 2 und die niedrigeren Rippen 3 in den einzelnen Zonen Z₁ bis Z₅ erzeugen. Nach der Strukturierung wird das Blechband 10 zu einem Schlitzrohr geformt und längsgeschweißt (Schweißnaht 11).

[0020] Die Fig. 7 bis 10 zeigen in Schwarzweiß-Darstellung weitere Ausführungsformen der Erfindung, wobei die Rippenspitzen/-flanken weiß und der Grund der zwischen den Rippen 2, 3 verlaufenen Nuten 4 schwarz gehalten wird.

[0021] Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Ausführungsform mit jeweils vier Zonen (Z₁ bis Z₄), wobei sich die Fig.8 durch die zusätzliche Anordnung von Spalten 12 der Länge B zwischen hohen Rippen 2 und niedrigen Rippen 3 unterscheidet. Diese Verhältnisse sind anhand der Darstellung gemäß Fig. 5 verdeutlicht.

[0022] Die Innenoberfläche des Wärmeaustauschrohres 1 nach Fig. 9 ist in 6 Zonen (Z₁ bis Z₆) aufgeteilt. In der Gruppe G₁ mit den drei Zonen (Z₁ bis Z₃) verlaufen die Rippen 2, 3 unter dem Steigungswinkel α, in der Gruppe 2 mit den drei Zonen (Z₄ bis Z₆) unter dem bzgl. der Grenzlinie zwischen benachbarten Gruppen spiegelsymmetrisch entgegen gesetzten (negativen) Winkel α' = -α.

[0023] Die Innenoberfläche des Wärmeaustauschrohres 1 nach Fig. 10 ist ebenfalls in 6 Zonen (Z₁ bis Z₆) aufgeteilt. In den Gruppen G₁ und G₃ mit den Zonen Z₁/Z₂ und Z₅/Z₆ verlaufen die Rippen 2, 3 unter dem Steigungswinkel α, in der Gruppe 2 mit den Zonen Z₃/Z₄ unter einem betragsmäßig anderen Steigungswinkel |α'| ≠ |α|.

Zahlenbeispiel:

[0024] Zur Herstellung eines Wärmeaustauschrohres 1 mit einem Aussendurchmesser von D = 7 mm wird die Strukturwalze 6 aufgebaut aus 19 Scheiben 7 des Durchmessers 33 mm und der Stärke 1,2 mm, so dass die resultierende Strukturierung der Innenoberfläche des Wärmeaustauschrohres 1 vor dem abschließenden Ziehprozeß entsprechend Fig. 2 aus 19 1,2 mm breiten Zonen besteht, in denen sich in Längsrichtung des Bandes 10 alternierend hohe und niedrigere Rippen 2, 3 abwechseln und unter einem Winkel von α = 14,3° gegenüber der Längsrichtung des Flachbandes 10 verlaufen. Je Zone sind in dieser Ausführung bei einem Schnitt in Umfangsrichtung genau eine hohe und eine niedrigere Rippe 2, 3 enthalten, so dass insgesamt in Umfangsrichtung 19 hohe Rippen 2 und 19 niedrigere Rippen 3 resultieren. Die Rippenhöhen betragen H₁ = 0,14 mm bzw. H₂ = 0,07 mm, die Flankenwinkel γ = 45°, die Längen der Rippen L = 4,86 mm und die Teilung (der Abstand hohe - niedrige Rippe gemessen senkrecht zur Rippe) beträgt t = 0,58 mm. Als Versatz der Zonen bzw. als Winkelversatz der Scheiben 7 der Strukturwalze 6 gegeneinander wird ein Winkel von 90° eingestellt.

Ansprüche

1. Wärmeaustauschrohr (1) mit berippter Innenoberfläche, die in Umfangsrichtung in mindestens zwei Zonen (Z₁ bis Z_m) aufgeteilt ist, wobei sich unter einem Steigungswinkel α zur Rohrlängsachse verlaufende Rippen (2,3) unterschiedlicher Rippenhöhe in benachbarten Zonen (Z₁ bis Z_m) abwechseln,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rippen (2, 3) in den einzelnen Zonen (Z₁ bis Z_m) in Rohrlängsrichtung in beliebiger periodischer Kombination und Abfolge mindestens zweier Rippenhöhen (H₁ bis H_n, H₁>H₂>...>H_n) angeordnet sind, wobei benachbarte Zonen (Z₁ bis Z_m) so aneinander grenzen, dass am Übergang zweier Zonen die Rippenabfolge in Rohrlängsrichtung um mindestens eine Rippe gegeneinander versetzt ist.

2. Wärmeaustauschrohr (1) mit berippter Innenoberfläche, die in Umfangsrichtung in mindestens zwei Gruppen (G₁ bis G_p) von Zonen (Z₁ bis Z_m) aufgeteilt ist, wobei jede Gruppe mindestens zwei Zonen umfaßt und der Steigungswinkel (α, α') der Rippen (2, 3) in den Zonen einer Gruppe jeweils einheitlich ist, zwischen benachbarten Gruppen aber dergestalt variiert, daß bei Zählung ab einer Gruppe G₁ in Gruppen mit ungeradzahliger Nummer ein betragsmäßig anderer Steigungswinkel α der Rippen (2, 3) vorliegt als der Steigungswinkel α' in Gruppen geradzahliger Nummer (|α'| ≠ |α|),
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rippen (2, 3) in den einzelnen Zonen (Z₁ bis Z_m) in Rohrlängsrichtung in beliebiger periodischer Kombination und Abfolge mindestens zweier Rippenhöhen (H₁ bis H_n, H₁>H₂>_...>H_n) angeordnet sind, wobei benachbarte Zonen (Z₁ bis Z_m) einer Gruppe so aneinander grenzen, dass am Übergang zweier Zonen einer Gruppe die Rippenabfolge in Rohrlängsrichtung um mindestens eine Rippe gegeneinander versetzt ist.

3. Wärmeaustauschrohr (1) mit berippter Innenoberfläche, die in Umfangsrichtung in mindestens zwei Gruppen (G₁ bis G_p) von Zonen (Z₁ bis Z_m) aufgeteilt ist, wobei jede Gruppe mindestens zwei Zonen umfaßt und der Steigungswinkel (α, α') der Rippen (2, 3) in den Zonen einer Gruppe jeweils einheitlich ist, zwischen benachbarten Gruppen aber dergestalt variiert, daß bei Zählung ab einer Gruppe G₁ in Gruppen mit ungeradzahliger Nummer ein Steigungswinkel α der Rippen (2, 3), in Gruppen geradzahliger Nummer ein bzgl. der Grenzlinie zwischen benachbarten Gruppen spiegelsymmetrisch entgegengesetzter Steigungswinkel α' = -α der Rippen (2, 3) vorliegen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rippen (2, 3) in den einzelnen Zonen (Z₁ bis Z_m) in Rohrlängsrichtung in beliebiger periodischer Kombination und Abfolge mindestens zweier Rippenhöhen (H₁ bis H_n, H₁>H₂>...>H_n) angeordnet sind, wobei benachbarte Zonen (Z₁ bis Z_m) einer Gruppe so aneinander grenzen, dass am Übergang zweier Zonen einer Gruppe die Rippenabfolge in Rohrlängsrichtung um mindestens eine Rippe gegeneinander versetzt ist.

4. Wärmeaustauschrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass in jeder Zone (Z₁ bis Z_m) in periodischer Wiederholung auf genau eine Rippe mit der Rippenhöhe H_i (i=1 bis n) jeweils genau eine Rippe mit der Rippenhöhe H_j (j=1 bis n, j≠i, H_j≠H_i) und eventuell weitere Rippen der Höhen H_k (k=1 bis n, k≠i, j, H_k≠H_i,H_j) in Rohrlängsrichtung folgen.

5. Wärmeaustauschrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass in jeder Zone (Z₁ bis Z_m) in periodischer Wiederholung auf zwei oder mehr Rippen mit der Rippenhöhe H_i (i=1 bis n) jeweils genau eine Rippe mit der Rippenhöhe H_j (j=1 bis n, j≠i, H_j≠H_i) und eventuell weitere Rippen der Höhen H_k (k=1 bis n, k≠i, j, H_k≠H_i,H_j) in Rohrlängsrichtung folgen.

6. Wärmeaustauschrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass in jeder Zone (Z₁ bis Z_m) in periodischer Wiederholung auf genau eine Rippe mit der Rippenhöhe H_i (i=1 bis n) jeweils zwei oder mehr Rippen mit der Rippenhöhe H_j (j=1 bis n, j*i, H_j≠H_i) und eventuell weitere Rippen der Höhen H_k (k=1 bis n, k≠i, j, H_k≠H_i,H_j) in Rohrlängsrichtung folgen.

7. Wärmeaustauschrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass in jeder Zone (Z₁ bis Z_m) in periodischer Wiederholung auf zwei oder mehr Rippen mit der Rippenhöhe H_i (i=1 bis n) jeweils zwei oder mehr Rippen mit der Rippenhöhe H_j (j=1 bis n, j≠i, H_j≠H_i) und eventuell weitere Rippen der Höhen H_k (k=1 bis n, k≠i, j, H_k≠H_i,H_j) in Rohrlängsrichtung folgen.

8. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem äußeren Rohrdurchmesser von D = 3 bis 20 mm der Steigungswinkel α = 5 bis 85°, die größte Rippenhöhe H₁ = 0,05 bis 0,5 mm und die Rippenlänge je Zone L = 0,5 bis 15 mm betragen.

9. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einem äußeren Rohrdurchmesser von D = 6 bis 12,7 mm der Steigungswinkel α = 10 bis 40°, die größte Rippenhöhe H₁ = 0,1 bis 0,3 mm und die Rippenlänge je Zone L = 0,5 bis 10 mm betragen.

10. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rippenhöhen H_j (j=2 bis n), verglichen zur größten Rippenhöhe H₁, H_j/H₁ = 0,1 bis 0,9, insbes. 0,2 bis 0,8 betragen.

11. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rippenhöhe H₂, verglichen zur größten Rippenhöhe H₁, H₂/H₁ = 0,2 bis 0,7, insbes. 0,4 bis 0,6 beträgt.

12. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rippenteilung t = 0,1 bis 0,8 mm und die Flankenwinkel γ₁ bis γ_n = 10 bis 60° betragen.

13. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rippenteilung t = 0,2 bis 0,6 mm und die Flankenwinkel γ₁ bis γ_n = 20 bis 50° betragen.

14. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnitte der Rippen (2, 3) geometrisch ähnlich sind.

15. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Querschnitte der Rippen (2, 3) geometrisch verschieden sind.

16. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Rippen (2, 3) benachbarter Zonen (Z₁ bis Z_m), von denen eine in der Verlängerung der Mittellinie (5) der anderen liegt, jeweils durch einen Spalt (12) voneinander getrennt sind.

17. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spaltlänge B < 0,5 x Rippenlänge L beträgt.

18. Wärmeaustauschrohr nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spaltlänge B < 0,2 x Rippenlänge L beträgt.

19. Wärmeaustauschrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
daß es zumindest eine Schweißnaht (11), insbes. in Rohrlängsrichtung, aufweist.

20. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschrohres nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19, mit einer Strukturwalze,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strukturwalze aus Scheiben oder Ringen (7) aufgebaut ist, deren Anzahl und Breite der Anzahl und Breite der Zonen (Z₁ bis Z_m) des Wärmeaustauschrohres (1) entspricht, die schräg verlaufende Nuten (8, 9) mit alternierend unterschiedlicher Tiefe aufweisen und die in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind.

Claims

1. Heat-exchange pipe (1) having a ribbed inner surface which is divided in a peripheral direction into at least two zones (Z₁ to Z_m), ribs (2, 3) of differing rib height which extend at an angle of pitch α relative to the longitudinal axis of the pipe alternating in adjacent zones (Z₁ to Z_m),
characterised in that
the ribs (2, 3) are arranged in the individual zones (Z₁ to Z_m) in the longitudinal direction of the pipe in any desired periodic combination and sequence of at least two rib heights (H₁ to H_n, H₁>H₂>...>H_n), adjacent zones (Z₁ to Z_m) adjoining each other in such a manner that, at the transition of two zones, the rib sequence is mutually offset in the longitudinal direction of the pipe by at least one rib.

2. Heat-exchange pipe (1) having a ribbed inner surface which is divided in a peripheral direction into at least two groups (G₁ to G_p) of zones (Z₁ to Z_m), each group comprising at least two zones and the angle of pitch (α, α') of the ribs (2, 3) in the zones of a group being uniform in each case, but varying between adjacent groups in such a manner that, when counting from a group G₁ in groups with an uneven number, there is a differently valued angle of pitch α of the ribs (2, 3) from the angle of pitch α' in groups with an even number (|α'| ≠ |α|),
characterised in that
the ribs (2, 3) are arranged in the individual zones (Z₁ to Z_m) in the longitudinal direction of the pipe in any desired periodic combination and sequence of at least two rib heights (H₁ to H_n, H₁>H₂>...>H_n), adjacent zones (Z₁ to Z_m) of a group adjoining each other in such a manner that, at the transition of two zones of a group, the rib sequence is mutually offset in the longitudinal direction of the pipe by at least one rib.

3. Heat-exchange pipe (1) having a ribbed inner surface which is divided in a peripheral direction into at least two groups (G₁ to G_p) of zones (Z₁ to Z_m), each group comprising at least two zones and the angle of pitch (α, α') of the ribs (2, 3) in the zones of a group being uniform in each case, but varying between adjacent groups in such a manner that, when counting from a group G₁ in groups with an uneven number, there is an angle of pitch α of the ribs (2, 3), and in groups having an even number, an angle of pitch α' = -α of the ribs (2, 3) that is opposite in a mirror-symmetrical manner relative to the borderline between adjacent groups,
characterised in that
the ribs (2, 3) are arranged in the individual zones (Z₁ to Z_m) in the longitudinal direction of the pipe in any desired periodic combination and sequence of at least two rib heights (H₁ to H_n, H₁>H₂>...>H_n), adjacent zones (Z₁ to Z_m) of a group adjoining each other in such a manner that, at the transition of two zones of a group, the rib sequence is mutually offset in the longitudinal direction of the pipe by at least one rib.

4. Heat-exchange pipe according to any one of claims 1 to 3,
characterised in that
in each zone (Z₁ to Z_m), in periodic repetition, precisely one rib having the rib height H_i (i=1 to n) is followed by precisely one rib having the rib height H_j (j=1 to n, j ≠ i, H_j ≠ H_i) and optionally other ribs having the heights H_k (k=1 to n, k ≠ i,j, H_k ≠ H_i, H_j) in the longitudinal direction of the pipe.

5. Heat-exchange pipe according to any one of claims 1 to 3,
characterised in that
in each zone (Z₁ to Z_m), in periodic repetition, two or more ribs having the rib height H_i (i = 1 to n) are followed in each case by precisely one rib having the rib height H_j (j = 1 to n, j ≠ i, H_j ≠ H_i) and optionally other ribs having the heights H_k (k = 1 to n, k ≠ i, j , H_k ≠ H_i,H_j) in the longitudinal direction of the pipe.

6. Heat-exchange pipe according to any one of claims 1 to 3,
characterised in that
in each zone (Z₁ to Z_m), in periodic repetition, precisely one rib having the rib height H_i (i = 1 to n) is followed in each case by two or more ribs having the rib height H_j (j = 1 to n, j ≠ i, H_j ≠ H_i) and optionally other ribs having the heights H_k (k = 1 to n, k ≠ i, j , H_k ≠ H_i,H_j) in the longitudinal direction of the pipe.

7. Heat-exchange pipe according to any one of claims 1 to 3,
characterised in that
in each zone (Z₁ to Z_m), in periodic repetition, two or more ribs having the rib height H_i (i = 1 to n) are followed in each case by two or more ribs having the rib height H_j (j = 1 to n, j ≠ i, H_j ≠ H_i) and optionally other ribs having the heights H_k (k = 1 to n, k ≠ i, j , H_k ≠ H_i,H_j) in the longitudinal direction of the pipe.

8. Heat-exchange pipe according to one or more of claims 1 to 7, characterised in that
with an outer pipe diameter of D = 3 to 20 mm, the angle of pitch α is from 5 to 85°, the largest rib height H₁ is from 0.05 to 0.5 mm and the rib length for each zone L is from 0.5 to 15 mm.

9. Heat-exchange pipe according to claim 8, characterised in that
with an outer pipe diameter of D = 6 to 12.7 mm, the angle of pitch α is from 10 to 40°, the largest rib height H₁ is from 0.1 to 0.3 mm and the rib length for each zone L is from 0.5 to 10 mm.

10. Heat-exchange pipe according to one or more of claims 1 to 9, characterised in that
the rib heights H_j (j=2 to n), compared with the largest rib height H₁, H_j/H₁ are from 0.1 to 0.9, in particular 0.2 to 0.8.

11. Heat-exchange pipe according to one or more of claims 4 to 9, characterised in that
the rib height H₂, compared with the largest rib height H₁, H_2/H₁ is from 0.2 to 0.7, in particular 0.4 to 0.6.

12. Heat-exchange pipe according to one or more of claims 1 to 11, characterised in that
the rib distribution t is from 0.1 to 0.8 mm and the flank angle γ₁ to γ_n is from 10 to 60°.

13. Heat-exchange pipe according to claim 12, characterised in that
the rib distribution t is 0.2 to 0.6 mm and the flank angle γ₁ to γ_n is from 20 to 50°.

14. Heat-exchange pipe according to one or more of claims 1 to 13, characterised in that
the cross-sections of the ribs (2, 3) are geometrically similar.

15. Heat-exchange pipe according to one or more of claims 1 to 13, characterised in that
the cross-sections of the ribs (2, 3) are geometrically different.

16. Heat-exchange pipe according to one or more of claims 1 to 15, characterised in that
two ribs (2, 3) of adjacent zones (Z₁ to Z_m), one of which is located in the extension of the centre line (5) of the other, are separated from each other in each case by means of a gap (12).

17. Heat-exchange pipe according to claim 16, characterised in that
the gap length is B < 0.5 x rib length L.

18. Heat-exchange pipe according to claim 17, characterised in that
the gap length is B < 0.2 x rib length L.

19. Heat-exchange pipe according to one or more of claims 1 to 18, characterised in that
it has at least one weld seam (11), in particular in the longitudinal direction of the pipe.

20. Method for producing a heat-exchange pipe according to one or more of claims 1 to 19, having a structure roller,
characterised in that
the structure roller is constructed from discs or rings (7), the number and width of which corresponds to the number and width of the zones (Z₁ to Z_m) of the heat-exchange pipe (1), and which have grooves (8, 9) which extend in an inclined manner and which have different depths in an alternating manner and which are mutually offset in a peripheral direction.

Revendications

1. Tube échangeur de chaleur (1) avec surface intérieure nervurée, qui est subdivisé en direction périphérique en au moins deux zones (Z1 à Zm), dans lequel des nervures (2, 3) qui s'étendent sous un angle de pas α par rapport à l'axe longitudinal du tube présentent des hauteurs de nervures différentes en alternance dans des zones voisines (Z1 à Zm),
caractérisé en ce que
les nervures (2, 3) dans les zones individuelles (Z1 à Zm) sont agencées en combinaison et en succession périodique quelconque en direction longitudinale du tube avec au moins deux hauteurs de nervures (H1 à Hn, H1>H2>...>Hn), et des zones voisines (Z1 à Zm) sont mutuellement adjacentes de telle façon qu'à la transition de deux zones, la succession des nervures en direction longitudinale du tube est décalé d'au moins une nervure.

2. Tube échangeur de chaleur (1) avec surface intérieure nervurée, qui est subdivisé en direction périphérique en au moins deux groupes (G1 à Gp) de zones (Z1 à Zm), chaque groupe comprenant au moins deux zones, et l'angle de pas (α, α') des nervures (2, 3) dans les zones d'un groupe est à chaque fois unitaire, mais celui-ci varie entre les groupes voisins de telle manière qu'en comptant à partir d'un groupe G1, dans des groupes présentant un numéro impair, on obtient un angle de pas α des nervures (2, 3) d'une valeur différente à l'angle de pas α' dans des groupes présentant un numéro pair (|α'|≠|α|),
caractérisé en ce que
les nervures (2, 3) dans les zones individuelles (Z1 à Zm) en direction longitudinale du tube sont agencées en combinaison et en succession périodique quelconque avec au moins deux hauteurs de nervures (H1 à Hn, H1>H2>...>Hn), des zones voisines (Z1 à Zm) d'un groupe étant adjacentes de telle manière qu'à la transition de deux zones d'un groupe, la succession des nervures en direction longitudinale du tube est décalée d'au moins une nervure.

3. Tube échangeur de chaleur (1) avec surface intérieure nervurée, qui est subdivisé en direction périphérique en au moins deux groupes (G1 à Gp) de zones (Z1 à Zm), chaque groupe comprenant au moins deux zones, et l'angle de pas (α, α') des nervures (2, 3) est à chaque fois unitaire dans les zones d'un groupe, mais varie entre des groupes voisins de telle façon qu'en comptant à partir d'un groupe G1 en groupes de numéros impairs, il existe un angle de pas α des nervures (2, 3), alors qu'en comptant en groupes de numéros pairs, il existe un angle de pas α' des nervures (2, 3) symétrique et opposé par rapport à la ligne frontière entre les groupes voisins, tels que α' = -α,
caractérisé en ce que les nervures (2, 3) dans les zones individuelles (Z1 à Zm) sont agencés en combinaison et en succession périodique quelconque en direction longitudinale du tube avec au moins deux hauteurs de nervures (H 1 à Hn, H1>H2>...>Hn), et dans lequel des zones voisines (Z1 à Zm) d'un groupe sont mutuellement adjacentes de telle façon qu'à la transition de deux zones d'un groupe, la succession des nervures en direction longitudinale du tube est décalée d'au moins une nervure.

4. Tube échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que :

dans chaque zone (Z 1 à Zm) en répétition périodique, à exactement une nervure présentant la hauteur Hi (i = 1 à n) suivent respectivement exactement une nervure présentant la hauteur Hj (j = 1 à n, j ≠ i, Hj ≠ Hi) et éventuellement d'autres nervures présentant les hauteurs Hk (k = 1 à n, k ≠ i, j, Hk ≠ Hi, Hj) en direction longitudinale du tube.

5. Tube échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que :

dans chaque zone (Z1 à Zm), en répétition périodique, à deux ou plusieurs nervures présentant la hauteur Hi (i = 1 à n) suivent respectivement exactement une nervure présentant la hauteur Hj (j = 1 à n, j ≠ i, Hj ≠ Hi) et éventuellement d'autres nervures présentant les hauteurs Hk (k = 1 à n, k ≠ i, j, Hk ≠ Hi, Hj) en direction longitudinale du tube.

6. Tube échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que :

dans chaque zone (Z1 à Zm) en répétition périodique, à exactement une nervure présentant la hauteur Hi (i = 1 à n) suivent respectivement deux ou plusieurs nervures présentant la hauteur Hj (j = 1 à n, j ≠ i, H_j ≠ Hi) et éventuellement d'autres nervures présentant les hauteurs Hk (k = 1 à n, k ≠ i, j, Hk ≠ Hi, Hj) en direction longitudinale du tube.

7. Tube échangeur de chaleur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que :

dans chaque zone (Z1 à Zm) en répétition périodique, à deux ou plusieurs nervures présentant la hauteur Hi (i = 1 à n) suivent respectivement deux ou plusieurs nervures présentant la hauteur Hj (j = 1 à n, j ≠ i, Hj ≠ Hi) et éventuellement d'autres nervures présentant les hauteurs Hk (k = 1 à n, k ≠ i, j, Hk ≠ Hi, Hj) en direction longitudinale du tube.

8. Tube échangeur de chaleur selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que :

pour un diamètre extérieur de tube de D = 3 à 20 mm, l'angle de pas s'élève à α = 5 à 85°, la hauteur maximum des nervures s'élève à H1 = 0,05 à 0,5 mm, et la longueur des nervures par zone s'élève à L = 0,5 à 15 mm.

9. Tube échangeur de chaleur selon la revendication 8, caractérisé en ce que :

pour un diamètre extérieur de tube de D = 6 à 12,7 mm, l'angle de pas s'élève à α = 10 à 40°, la hauteur maximum des nervures s'élève à H1 = 0,1 à 0,3 mm, et la longueur des nervures par zone s'élève à L = 0,5 à 10 mm.

10. Tube échangeur de chaleur selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que :

les hauteurs Hj des nervures (j = 2 à n), comparées à la hauteur maximum H1 des nervures, s'élève à Hj/H1 = 0,1 à 0,9, et en particulier 0,2 à 0,8.

11. Tube échangeur de chaleur selon l'une ou plusieurs des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que :

la hauteur H2 des nervures, comparée à la hauteur maximum H1 des nervures, s'élève à H2/H1 = 0,2 à 0,7, en particulier 0,4 à 0,6.

12. Tube échangeur de chaleur selon l'une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisé en ce que :

le pas des nervures s'élève à t = 0,1 à 0,8 mm, et l'angle des flancs γ1 à γn s'élève de 10 à 60°.

13. Tube échangeur de chaleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que :

le pas des nervures s'élève à t = 0,2 à 0,6 mm, et l'angle des flancs γ1 à γn s'élève de 20 à 50°.

14. Tube échangeur de chaleur selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que les sections des nervures (2, 3) sont géométriquement semblables.

15. Tube échangeur de chaleur selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que :

les sections des nervures (2, 3) sont géométriquement différentes.

16. Tube échangeur de chaleur selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que :

deux nervures (2, 3) de zones voisines (Z1 à Zm), dont l'une se situe dans le prolongement de la ligne médiane (5) de l'autre, sont respectivement séparées l'une de l'autre par une fente (12).

17. Tube échangeur de chaleur selon la revendication 16, caractérisé en ce que :

la longueur de fente B est inférieure à 0,5 fois la longueur de nervure L.

18. Tube échangeur de chaleur selon la revendication 17, caractérisé en ce que la longueur de fente B est inférieure à 0,2 fois la longueur de nervure L.

19. Tube échangeur de chaleur selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que :

il comprend au moins un cordon de soudure (11), en particulier dans la direction longitudinale du tube.

20. Procédé pour la fabrication d'un tube échangeur de chaleur selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 19, comprenant un cylindre structuré,
caractérisé en ce que
le cylindre structuré est constitué par des disques ou par des anneaux (7), dont le nombre et la largeur correspondent au nombre et à la largeur des zones (Z1 à Zm) du tube échangeur de chaleur (1), lesquelles comportent des gorges (8, 9) qui s'étendent en oblique avec des profondeurs différentes alternées, et qui sont décalées les unes par rapport aux autres en direction périphérique.

Zeichnung