[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeübertragerrohr gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Wärmeübertragung tritt in vielen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik sowie in der
Prozess- und Energietechnik auf. Zur Wärmeübertragung werden in diesen Gebieten häufig
Rohrbündelwärmeaustauscher eingesetzt. In vielen Anwendungen strömt hierbei auf der
Rohrinnenseite eine Flüssigkeit, die abhängig von der Richtung des Wärmestroms abgekühlt
oder erwärmt wird. Die Wärme wird an das sich auf der Rohraußenseite befindende Medium
abgegeben oder diesem entzogen.
[0003] Es ist allgemein bekannt, dass in Rohrbündelwärmeaustauschern anstelle von Glattrohren
strukturierte Rohre eingesetzt werden. Durch die Strukturen wird der Wärmedurchgang
verbessert. Die Wärmestromdichte wird dadurch erhöht und der Wärmeaustauscher kann
kompakter gebaut werden. Alternativ kann die Wärmestromdichte beibehalten und die
treibende Temperaturdifferenz erniedrigt werden, wodurch eine energieeffizientere
Wärmeübertragung möglich ist.
[0004] Ein- oder beidseitig strukturierte Wärmeübertragerrohre für Rohrbündelwärmeaustauscher
besitzen üblicherweise mindestens einen strukturierten Bereich sowie glatte Endstücke
und eventuell glatte Zwischenstücke. Die glatten End- oder Zwischenstücke begrenzen
die strukturierten Bereiche. Damit das Rohr problemlos in den Rohrbündelwärmeaustauscher
eingebaut werden kann, sollte der äußere Durchmesser der strukturierten Bereiche nicht
größer sein als der äußere Durchmesser der glatten End- und Zwischenstücke.
[0005] Als strukturierte Wärmeübertragerrohre werden häufig integral gewalzte Rippenrohre
verwendet. Unter integral gewalzten Rippenrohren werden berippte Rohre verstanden,
bei denen die Rippen aus dem Material der Wandung eines Glattrohres geformt wurden.
In vielen Fällen besitzen Rippenrohre auf der Rohrinnenseite eine Vielzahl von achsparallelen
oder schraubenlinienförmig umlaufenden Rippen, die die innere Oberfläche vergrößern
und den Wärmeübergangskoeffizient auf der Rohrinnenseite verbessern. Auf ihrer Außenseite
besitzen die Rippenrohre ring- oder schraubenförmig umlaufende Rippen.
[0006] In der Vergangenheit wurden viele Möglichkeiten entwickelt, je nach Anwendung den
Wärmeübergang auf der Außenseite von integral gewalzten Rippenrohren weiter zu steigern,
indem die Rippen auf der Rohraußenseite mit weiteren Strukturmerkmalen versehen werden.
Wie beispielsweise aus der Druckschrift
US 5,775,411 bekannt, wird bei Kondensation von Kältemitteln auf der Rohraußenseite der Wärmeübergangskoeffizient
deutlich erhöht, wenn die Rippenflanken mit zusätzlichen konvexen Kanten versehen
werden. Bei Verdampfung von Kältemitteln auf der Rohraußenseite hat es sich als leistungssteigernd
erwiesen, die zwischen den Rippen befindlichen Kanäle teilweise zu verschließen, so
dass Hohlräume entstehen, die durch Poren oder Schlitze mit der Umgebung verbunden
sind. Wie aus zahlreichen Druckschriften bereits bekannt, werden derartige, im Wesentlichen
geschlossene Kanäle durch Umbiegen oder Umlegen der Rippe (
US 3,696,861,
US 5,054,548), durch Spalten und Stauchen der Rippe (
DE 2 758 526 C2,
US 4,577,381) und durch ein Kerben und Stauchen der Rippe (
US 4,660,630,
EP 0 713 072 B1,
US 4,216,826) erzeugt.
[0007] Die vorstehend genannten Leistungsverbesserungen auf der Rohraußenseite haben zur
Folge, dass der Hauptanteil des gesamten Wärmeübergangswiderstands auf die Rohrinnenseite
verschoben wird. Dieser Effekt tritt insbesondere bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten
auf der Rohrinnenseite, wie beispielsweise beim Teillastbetrieb, auf. Um den gesamten
Wärmeübergangswiderstand signifikant zu reduzieren, ist es notwendig, den Wärmeübergangskoeffizient
auf der Rohrinnenseite weiter zu erhöhen.
[0008] Um den Wärmeübergang der Rohrinnenseite zu erhöhen, können die achsparallelen oder
schraubenlinienförmig umlaufenden Innenrippen mit Nuten versehen werden, wie es in
der Druckschrift
DE 101 56 374 C1 und
DE 10 2006 008 083 B4 beschrieben ist. Hierbei ist von Bedeutung, dass durch die dort offen gelegte Verwendung
von profilierten Walzdornen zur Erzeugung der Innenrippen und Nuten die Abmessungen
der Innen- und der Außenstruktur des Rippenrohres voneinander unabhängig eingestellt
werden können. Dadurch können die Strukturen auf der Außen- und Innenseite auf die
jeweiligen Anforderungen angepasst und so das Rohr gestaltet werden.
[0009] Die Druckschriften
US 2005/0145377 A1 und
WO03104735A1 offenbaren verbesserte Wärmeübertragungsflächen, die die Wärmeübertragung von einer
Seite der Oberfläche zur anderen erleichtern. Hierzu beschrieben ist eine weitere
Methode zur Verbesserung von Wärmeübertragungsflächen durch die Verwendung eines Werkzeugs
zum Schneiden der Innenfläche eines Rohrs. Das Werkzeug hat mindestens eine Spitze
mit einer Schneidkante und einer Hubkante. Durch Schneiden der Innenoberfläche eines
Wärmeübertragerrohres und Anheben der angeschnittenen Oberfläche werden Vorsprünge
ausgebildet. Derart hergestellte Siedeflächen weisen eine Vielzahl von Primärnuten,
Vorsprüngen und Sekundärnuten auf, beispielsweise um Siedehohlräume zu bilden.
[0010] Des Weiteren ist aus der Druckschrift
US 3 776 018 A ein Rohr mit einer Längsachse und Innenrippen bekannt, die sich geneigt zur Achse
erstrecken und eingedrückt sind, um eine Vielzahl von Leitblechen an den Rippen zu
bilden. Auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rohrs aus einem runden Innenrippenrohrrohling
durch teilweises Abflachen des Rohlings zum Zusammenpressen von gegenüberliegenden
Rippen und anschließendes Expandieren des teilweise abgeflachten Rohlings durch inneren
Fluiddruck ist beschrieben.
[0011] Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Innen-
bzw. Außenstrukturen von Wärmeübertragerrohren der vorgenannten Art so weiterzubilden,
dass eine gegenüber bereits bekannten Rohre eine weitere Leistungssteigerung erzielt
wird.
[0012] Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren
rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
[0013] Hierbei kann der strukturierte Bereich prinzipiell auf der Rohraußenseite bzw. der
Rohrinnenseite ausgeformt sein. Bevorzugt ist allerdings, die erfindungsgemäßen Rippenabschnitte
im Rohrinneren anzuordnen. Die beschriebenen Strukturen lassen sich sowohl für Verdampfer-
als auch für Kondensatorrohre einsetzen.
[0014] 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.
[0015] Die Schneidtiefe, auch Kerbtiefe genannt, ist die in radialer Richtung gemessene
Strecke ausgehend von der originären Rippenspitze bis zur tiefsten Stelle der Kerbe.
Mit anderen Worten: Die Kerbtiefe ist die Differenz der originären Rippenhöhe und
der an der tiefsten Stelle einer Kerbe verbleibenden Restrippenhöhe.
[0016] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die Rippenabschnitte prinzipiell
auf der Rohraußenseite bzw. der Rohrinnenseite ausgeformt sein können. Bevorzugt ist
allerdings, die erfindungsgemäßen Rippenabschnitte im Rohrinneren anzuordnen. Die
beschriebenen Strukturen lassen sich sowohl für Verdampfer- als auch für Kondensatorrohre
einsetzen.
[0017] Ganz besonders eignen sich die erfindungsgemäßen Rippenabschnitte für Innenstrukturen.
Hierbei ist die innere Fläche des Rohrs mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen vergrößert,
die in Rippenabschnitte untergliedert sind. Hierdurch verringert sich in erheblicher
Weise der rohrseitige Wärmedurchgangswiderstand und der Wärmeübergangskoeffizient
wird gesteigert. Die Vorsprünge schaffen zusätzliche Wege für einen Fluidfluß innerhalb
des Rohres und erhöhen dadurch die Turbulenz des Wärmeübertragungsmediums, das innerhalb
des Rohres fließt. Diese Maßnahme verringert die aus dem Fluid nahe der inneren Fläche
des Rohres aufgebauten Grenzschicht.
[0018] Gegenüber glatten Oberflächen liefern die Vorsprünge ein Vielfaches an zusätzlichem
Oberflächenanteil für einen zusätzlichen Wärmeaustausch. Versuche zeigen, dass die
Leistungsfähigkeit von Rohren mit den in besonderer Weise gestalteten Rippenabschnitten
dieser Erfindung in erheblicher Weise erhöht ist.
[0019] 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.
[0020] Das verwendete Werkzeug weist eine Schneidkante zum Schneiden durch die Rippen an
der inneren Fläche des Rohres auf zur Schaffung von Rippensegmenten und eine Anhebekante
zum Anheben der Rippensegmente zur Bildung der Vorsprünge. Auf diese Weise werden
die Vorsprünge ohne Entfernung von Metall von der inneren Fläche des Rohrs gebildet.
Die Vorsprünge an der inneren Fläche des Rohrs können in der gleichen oder einer unterschiedlichen
Bearbeitung wie die Bildung der Rippen gebildet werden.
[0021] Die Strukturierung der aus der Rohrwand kontinuierlich verlaufenden, achsparallelen
oder helixförmig umlaufenden Rippen mit den zwischen jeweils benachbarten Rippen sich
kontinuierlich erstreckende Primärnuten können mit den in der
DE 101 56 374 C1 beschriebenen Verfahrensmaßnahmen hergestellt werden.
[0022] Die erfindungsgemäße Lösung, bei der die Rippen in Rippenabschnitte unterteilt sind,
die in eine Vielzahl von Vorsprüngen mit einer Vorsprungshöhe zerteilt sind, führt
dazu, dass die Vorsprünge von der geregelten Ordnung abweichen. Daraus resultiert
wiederum ein optimierter Wärmeübergang bei möglichst geringem Druckverlust, da die
Fluidgrenzschicht, welche hinderlich für einen guten Wärmeübergang ist, durch zusätzlich
erzeugte Turbulenzen unterbrochen wird. Eine Unterbrechung durch die Zerteilung der
Vorsprünge führt dabei zusätzlich zu einer Erhöhung der Turbulenz sowie zu einem Fluidaustausch
über den Verlauf der Primärrippe hinweg, was ebenfalls eine Unterbrechung der Grenzschicht
bedingt. Hierbei kann der strukturierte Bereich prinzipiell auf der Rohraußenseite
bzw. der Rohrinnenseite ausgeformt sein. Bevorzugt ist allerdings, die erfindungsgemäßen
Rippenabschnitte im Rohrinneren anzuordnen. Die beschriebenen Strukturen lassen sich
sowohl für Verdampfer- als auch für Kondensatorrohre einsetzen.
[0023] Eine homogene Anordnung der Vorsprünge kann diese gezielte Unterbrechung der Grenzschicht
nur bedingt leisten. Die Formen, Höhen und Anordnung der Abstände kann durch das Einstellen
der Schneidmesser bzw. Schneidgeometrien sowie durch individuell angepasste Primärrippenformen
und Geometrien angepasst und optimiert werden. Zur Optimierung der Fluidströmung kann
der die Form der Vorsprünge individuell angepasst und damit die Unterbrechung der
Grenzschicht effizient durchgeführt werden. Diese Optimierungen für die turbulente
bzw. laminare Strömungsform werden durch unterschiedlichen Vorsprungshöhen realisiert.
[0024] In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können die Rippenabschnitte der Rippen
von unter einem Steigungswinkel β verlaufenden Sekundärnuten gemessen gegen die Rohrlängsachse
aus den Rippen gebildet sein.
[0025] Hierbei können die Sekundärnuten gegenüber den Innenrippen unter einem Steigungswinkel
von mindestens 10° und höchstens 80° verlaufen. Die Tiefe der Sekundärnuten kann variieren
und mindestens 20% der ursprünglichen Rippenhöhe der Innenrippen betragen. Durch das
Einbringen der Sekundärnuten besitzen die Innenrippen nun keinen konstanten Querschnitt
mehr. Folgt man dem Verlauf der Innenrippen, dann ändert sich die Querschnittsform
der Innenrippen an den Stellen der Sekundärnuten. Durch die Sekundärnuten entstehen
im rohrseitig strömenden Medium zusätzliche Wirbel und axiale Durchtrittsstellen im
wandnahen Bereich, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient weiter gesteigert wird.
[0026] Wenn die Tiefe der Sekundärnuten gleich der Höhe der ursprünglichen Innenrippen ist,
dann entstehen auf der Rohrinnenseite voneinander beabstandete Rippenabschnitte als
Strukturelemente, die Pyramidenstümpfen ähnlich sind. Durch das Aufbringen von Sekundärnuten
ist eine gezielte Einstellung möglich, da die Vorsprünge nur in dem Bereich ausgebildet
werden, in dem die Primärrippe noch ausgebildet ist.
[0027] Erfindungsgemäß weisen die Vorsprünge alternierend wechselnde Schneidtiefen durch
eine Rippe auf.
[0028] Bei einer derartigen Ausbildung lässt sich die Höhe der einzelnen Vorsprünge gezielt
anpassen sowie zueinander variieren um somit besonders bei laminarer Strömung durch
unterschiedliche Rippenhöhen in die unterschiedlichen Grenzschichten der Strömung
bis hin zum Strömungskern eintauchen und die Wärme an die Rohrwand ableiten. Hierbei
kann sich die Schneid- oder Kerbtiefe auch durch die gesamte ursprüngliche Rippe bis
in die Kernwandung erstrecken.
[0029] Eine wechselnde Kerb- oder Schneidtiefe ist auch damit gleichbedeutend, dass die
jeweils tiefste Stelle der Kerben alterniert und folglich den Abstand zur Rohrwand
verändert. Hierzu gleichbedeutend ist zudem, dass die jeweils tiefste Stelle der Kerben
- hier mit Kerbgrund bezeichnet - im Abstand von der Rohrlängsachse über in Rippenrichtung
aufeinanderfolgende Kerben alterniert.
[0030] Hierbei können die zumindest um einen Vorsprung benachbarten Einkerbungen in der
Kerbtiefe um mindestens 10 % variieren. Weiter bevorzugt kann die Variation der Kerbtiefe
mindestens 20 % oder sogar 50 % betragen.
[0031] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann mindestens ein Vorsprung
aus der Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf über die Primärnut auskragen. Dies
bringt den Vorteil mit sich, dass die ausgebildete Grenzschicht im Rippenzwischenraum
durch diesen in die Primärnut ragenden Vorsprung unterbrochen wird, was einen verbesserten
Wärmeübergang bedingt.
[0032] In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Rippenabschnitte der Rippen
entlang dem Rippenverlauf langgestreckt ausgebildet sein. Hierbei sind die Rippen
in Rippenabschnitte unterteilt, die in eine ausreichende Vielzahl von Vorsprüngen
mit einer Vorsprungshöhe zerteilt sind. Beispielsweise umfasst ein Rippenabschnitt
zumindest 3, bevorzugt zumindest 4 Vorsprünge. Die Rippenabschnitte können dabei gegeneinander
beabstandet sein, wodurch sich Durchtrittsstellen für das Fluid bilden. Daraus resultiert
wiederum ein optimierter Wärmeübergang bei möglichst geringem Druckverlust, da die
Fluidgrenzschicht, welche hinderlich für einen guten Wärmeübergang ist, durch zusätzlich
erzeugte Turbulenzen unterbrochen wird. Eine Unterbrechung führt dabei zusätzlich
zu einer Erhöhung der Turbulenz sowie zu einem Fluidaustausch über den Verlauf der
Primärrippe hinweg, wodurch ebenfalls eine Unterbrechung der Grenzschicht bedingt
wird.
[0033] Vorteilhafterweise können mehrere Vorsprünge an der von der Rohrwand entferntesten
Stelle eine zur Rohrlängsachse parallele Fläche aufweisen.
[0034] In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung können die Vorsprünge in Vorsprungshöhe,
Form und Ausrichtung untereinander variieren, um die Höhe der einzelnen Vorsprünge
gezielt anzupassen sowie zueinander zu variieren um somit besonders bei laminarer
Strömung durch unterschiedliche Rippenhöhen in die unterschiedlichen Grenzschichten
der Strömung bis hin zum Strömungskern eintauchen und die Wärme an die Rohrwand ableiten.
[0035] In besonders bevorzugter Ausführungsform kann ein Vorsprung an der von der Rohrwand
abgewandten Seite eine spitz zulaufende Spitze aufweisen. Dies führt bei Kondensatorrohren
mit einer Verwendung von zweiphasigen Fluiden zu einer optimierten Kondensation an
der Vorsprungsspitze.
[0036] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann ein Vorsprung an der von
der Rohrwand abgewandten Seite eine gekrümmte Spitze aufweisen, deren lokaler Krümmungsradius
ausgehend von der Rohrwand mit zunehmender Entfernung verkleinert ist. Dies hat zum
Vorteil, dass das an der Spitze eines Vorsprungs entstandene Kondensat durch die konvexe
Krümmung schneller hin zum Rippenfuß transportiert und somit der Wärmeübergang bei
der Verflüssigung optimiert wird. Beim Phasenwechsel, hier im speziellen bei der Verflüssigung
liegt das Hauptaugenmerk auf der Verflüssigung des Dampfes und das Abführen des Kondensats
weg von der Spitze hin zum Rippenfuß. Dafür bildet eine konvex gekrümmter Vorsprung
eine ideale Grundlage zur effektiven Wärmeübertragung. Die Basis des Vorsprungs steht
dabei im Wesentlichen radial von der Rohrwand ab.
[0037] In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Vorsprünge eine unterschiedliche
Form und/oder Höhe von einem Rohranfang entlang der Rohrlängsachse hin zum gegenüber
liegenden Rohrende aufweisen. Der Vorteil dabei ist eine gezielte Einstellung des
Wärmeübergangs von Rohranfang bis Rohrende.
[0038] Vorteilhafterweise können sich die Spitzen von zumindest zwei Vorsprüngen entlang
dem Rippenverlauf gegenseitig berühren oder überkreuzen; was speziell im reversiblen
Betrieb beim Phasenwechsel von Vorteil ist, da die Vorsprünge für die Verflüssigung
weit aus dem Kondensat ragen und für die Verdampfung eine Art Kavität ausbilden.
[0039] In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung können sich die Spitzen von zumindest
zwei Vorsprüngen über die Primärnut hinweg gegenseitig berühren oder überkreuzen.
Dies ist speziell im reversiblen Betrieb beim Phasenwechsel von Vorteil, da die Vorsprünge
für die Verflüssigung weit aus dem Kondensat ragen und für die Verdampfung eine Art
Kavität ausbilden.
[0040] In besonders bevorzugter Ausführungsform kann mindestens einer der Vorsprünge derartig
verformt sein, dass dessen Spitze die Rohrinnenseite bzw. die Rohraußenseite berührt.
Insbesondere im reversiblen Betrieb beim Phasenwechsel ist dies von Vorteil, da die
Vorsprünge für die Verflüssigung für die Verdampfung eine Art Kavität und damit Blasenkeimsteiten
ausbilden.
[0041] Vorteilhafterweise können die Vorsprünge aus Rippen gebildet werden, wobei mindestens
eine der Rippen in mindestens einem der Merkmale Rippenhöhe, Rippenabstand, Rippenspitze,
Rippenzwischenraum, Rippenöffnungswinkel und Drall voneinander variiert.
[0042] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher
erläutert.
[0043] Darin zeigen:
- Fig. 1
- schematisch eine Schrägansicht eines Rohrausschnitts mit der erfindungsgemäßen Struktur
auf der Rohrinnenseite;
- Fig. 2
- schematisch eine weitere Schrägansicht eines Rohrausschnitts mit der erfindungsgemäßen
Innenstruktur mit Sekundärnut;
- Fig. 3
- schematisch einen Rippenabschnitt mit unterschiedlicher Kerbtiefe;
- Fig. 4
- schematisch einen Rippenabschnitt mit einem über die Primärnut kragenden Strukturelement;
- Fig. 5
- schematisch einen Rippenabschnitt mit einem in Rippenrichtung an der Spitze gekrümmten
Vorsprung;
- Fig. 6
- schematisch einen Rippenabschnitt mit einem Vorsprung mit einer parallelen Fläche
an der von der Rohrwand entferntesten Stelle;
- Fig. 7
- schematisch einen Rippenabschnitt mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf sich gegenseitig
berührenden Vorsprüngen;
- Fig. 8
- schematisch einen Rippenabschnitt mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf sich gegenseitig
überkreuzenden Vorsprüngen;
- Fig. 9
- schematisch einen Rippenabschnitt mit zwei sich über die Primärnut hinweg gegenseitig
berührenden Vorsprüngen; und
- Fig. 10
- schematisch einen Rippenabschnitt mit zwei sich über die Primärnut hinweg gegenseitig
überkreuzenden Vorsprüngen.
[0044] Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0045] Fig. 1 zeigt schematisch eine Schrägansicht eines Rohrausschnitts des Wärmeübertragerrohrs
1 mit der erfindungsgemäßen Struktur auf der Rohrinnenseite 22. Das Wärmeübertragerrohr
1 besitzt eine Rohrwand 2, eine Rohraußenseite 21 und eine Rohrinnenseite 22. Auf
der Rohrinnenseite 22 sind aus der Rohrwand 2 kontinuierlich verlaufende, helixförmig
umlaufende Rippen 3 geformt. Die Rohrlängsachse A verläuft gegenüber den Rippen unter
einem gewissen Winkel. Zwischen jeweils benachbarten Rippen 3 sind sich kontinuierlich
erstreckende Primärnuten 4 gebildet.
[0046] Die Rippen 3 sind entlang dem Rippenverlauf in sich periodisch wiederholende Rippenabschnitte
31 unterteilt, die in eine Vielzahl von Vorsprüngen 6 zerteilt sind.
[0047] Die Vorsprünge 6 sind durch Schneiden der Rippen 3 mit einer Schneidtiefe quer zum
Rippenverlauf zur Bildung von Rippensegmenten und durch Anheben der Rippensegmente
mit einer Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf zwischen Primärnuten 4 ausgeformt.
[0048] In Fig. 1 sind die Rippenabschnitte 31 der Rippen 3 entlang dem Rippenverlauf langgestreckt
ausgebildet. Ein Rippenabschnitt 31 grenzt sich in diesem Fall durch einen nicht geschnittenen
Teilbereich einer Rippe 3 gegenüber dem nachfolgenden ab. Dort kann auch die originären
Höhe der primären Rippe 3 partiell noch erhalten sein.
[0049] Fig. 2 zeigt schematisch eine weitere Schrägansicht eines Rohrausschnitts des Wärmeübertragerrohrs
1 mit der erfindungsgemäßen Struktur auf der Rohrinnenseite 22 mit Sekundärnut 5.
Die Rippen 3 sind wiederum entlang dem Rippenverlauf in sich periodisch wiederholende
Rippenabschnitte 31 unterteilt, die in eine Vielzahl von Vorsprüngen 6 zerteilt sind.
[0050] In Fig. 2 sind die Rippenabschnitte 31 der Rippen 3 entlang dem Rippenverlauf wiederum
langgestreckt ausgebildet. Ein Rippenabschnitt 31 grenzt sich gegenüber dem nachfolgenden
durch eine unter einem Steigungswinkel β verlaufenden Sekundärnut 5 gemessen gegen
die Rohrlängsachse A ab. Die Sekundärnut 5 kann eine geringe Kerbtiefe aufweisen oder,
wie im gezeigten Ausführungsbeispiel, mit großer Kerbtiefe nahe an die Primärnut heranreichen.
[0051] Fig. 3 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit unterschiedlicher Schneid-
oder Kerbtiefe t
1, t
2, t
3. Die Bezeichnungen Schneidtiefe bzw. Kerbtiefe stellen im Rahmen der Erfindung dieselbe
Begrifflichkeit dar. Die Vorsprünge 6 weisen alternierend wechselnde Schneidtiefen
t
1, t
2, t
3 durch eine Rippe 3 auf. Gestrichelt angedeutet ist in der Fig. 3 die originäre geformte
helixförmig umlaufende Rippe 3. Aus dieser sind die Vorsprünge 6 durch Schneiden der
Rippe 3 mit einer Schneidtiefe t
1, t
2, t
3 quer zum Rippenverlauf zur Bildung von Rippensegmenten und durch Anheben der Rippensegmente
mit einer Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf ausgeformt. Die unterschiedlichen
Schneidtiefen t
1, t
2, t
3 bemessen sich folglich an der Einkerbtiefe der originären Rippe in radialer Richtung.
[0052] 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.
[0053] Die Kerbtiefe t
1, t
2, t
3 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.
[0054] Fig. 4 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit einem über die Primärnut 4
kragenden Strukturelement 6. Es handelt sich dabei um einen Vorsprung 6, der aus der
Hauptausrichtung mit der Spitze 62 entlang dem Rippenverlauf über die Primärnut 4
hinwegreicht. Je weiter die Auskragung ausgebildet ist, desto intensiver wird die
ausgebildete Grenzschicht des Fluids im Rippenzwischenraum gestört, was einen verbesserten
Wärmeübergang bedingt.
[0055] Fig. 5 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit einem in Rippenrichtung an
der Spitze 62 gekrümmten Vorsprung 6. Der Vorsprung 6 hat an der gekrümmten Spitze
62 einen sich verändernden Krümmungsverlauf. Hierbei nimmt der lokale Krümmungsradius
ausgehend von der Rohrwand mit zunehmender Entfernung ab. Mit anderen Worten: Der
Krümmungsradius verkleinert sich entlang der durch die Punkte P1, P2, P3 angedeuteten
Linie zur Spitze 62 hin. Dies hat zum Vorteil, dass das an der Spitze 62 entstehende
Kondensat bei zweiphasigen Fluiden durch die zunehmende konvexe Krümmung schneller
hin zum Rippenfuß transportiert wird.
[0056] Hierdurch wird der Wärmeübergang bei der Verflüssigung optimiert.
[0057] Fig. 6 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit einem Vorsprung 6 mit einer
parallelen Fläche 61 an der von der Rohrwand entferntesten Stelle im Bereich der Spitze
62.
[0058] Fig. 7 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf
sich gegenseitig berührenden Vorsprüngen 6. Des Weiteren zeigt Fig. 8 schematisch
einen Rippenabschnitt 31 mit zwei sich entlang dem Rippenverlauf sich gegenseitig
überkreuzenden Vorsprüngen 6. Auch Fig. 9 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt
31 mit zwei sich über die Primärnut 4 hinweg gegenseitig berührenden Vorsprüngen.
Fig. 10 zeigt schematisch einen Rippenabschnitt 31 mit zwei sich über die Primärnut
4 hinweg gegenseitig überkreuzenden Vorsprüngen 6.
[0059] Bei den in den Fig. 7 bis 10 dargestellten Strukturelementen ist speziell im reversiblen
Betrieb bei zweiphasigen Fluiden von Vorteil, dass die für die Verdampfung eine Art
Kavität ausbilden. Die Kavitäten dieser besonderen Art bilden die Ausgangsstellen
für Blasenkeime eines verdampfenden Fluids.
Bezugszeichenliste
[0060]
- 1
- Wärmeübertragerrohr
- 2
- Rohrwand
- 21
- Rohraußenseite
- 22
- Rohrinnenseite
- 3
- Rippe
- 31
- Rippenabschnitt
- 4
- Primärnut
- 5
- Sekundärnut
- 6
- Vorsprung
- 61
- parallele Fläche
- 62
- Spitze
- A
- Rohrlängsachse
- β
- Steigungswinkel
- t1
- erste Schneidtiefe
- t2
- zweite Schneidtiefe
- t3
- dritte Schneidtiefe
- h
- Vorsprungshöhe
1. Wärmeübertragerrohr (1) mit einer Rohrlängsachse (A), einer Rohrwand (2), einer Rohraußenseite
(21) und einer Rohrinnenseite (22), wobei
- auf der Rohraußenseite (21) und/oder Rohrinnenseite (22) aus der Rohrwand (2) kontinuierlich
verlaufende, achsparallele oder helixförmig umlaufende Rippen (3) geformt sind,
- zwischen jeweils benachbarten Rippen (3) sich kontinuierlich erstreckende Primärnuten
(4) gebildet sind,
wobei die Rippen (3) entlang dem Rippenverlauf in sich periodisch wiederholende Rippenabschnitte
(31) unterteilt sind, die in eine Vielzahl von Vorsprüngen (6) mit einer Vorsprungshöhe
(h) zerteilt sind, dass die Vorsprünge (6) durch Schneiden der Rippen (3) mit einer
Schneidtiefe (t
1, t
2, t
3) quer zum Rippenverlauf zur Bildung von Rippensegmenten und durch Anheben der Rippensegmente
mit einer Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf zwischen Primärnuten (4) ausgeformt
sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorsprünge (6) alternierend wechselnde Schneidtiefen (t
1, t
2, t
3) durch eine Rippe (3) aufweisen.
2. Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenabschnitte (31) der Rippen (3) von unter einem Steigungswinkel β verlaufenden
Sekundärnuten (5) gemessen gegen die Rohrlängsachse (A) aus den Rippen (3) gebildet
sind.
3. Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Vorsprung (6) aus der Hauptausrichtung entlang dem Rippenverlauf über
die Primärnut (4) auskragt.
4. Wärmeübertragerrohr (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenabschnitte (31) der Rippen (3) entlang dem Rippenverlauf langgestreckt
ausgebildet sind.
5. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vorsprünge (6) an der von der Rohrwand (2) entferntesten Stelle eine zur
Rohrlängsachse (A) parallele Fläche (61) aufweist.
6. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (6) in Vorsprungshöhe (h), Form und Ausrichtung untereinander variieren.
7. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsprung (6) an der von der Rohrwand (2) abgewandten Seite eine spitz zulaufende
Spitze (62) aufweist.
8. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsprung (6) an der von der Rohrwand (2) abgewandten Seite eine gekrümmte Spitze
(62) aufweist, deren lokaler Krümmungsradius ausgehend von der Rohrwand (2) mit zunehmender
Entfernung verkleinert ist.
9. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (6) eine unterschiedliche Form und/oder Höhe von einem Rohranfang
entlang der Rohrlängsachse (A) hin zum gegenüber liegenden Rohrende aufweisen.
10. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spitzen (62) von zumindest zwei Vorsprüngen (6) entlang dem Rippenverlauf
gegenseitig berühren oder überkreuzen.
11. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spitzen (62) von zumindest zwei Vorsprüngen (6) über die Primärnut (4) hinweg
gegenseitig berühren oder überkreuzen.
12. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Vorsprünge (6) derartig verformt ist, dass dessen Spitze (62)
die Rohrinnenseite (22) bzw. die Rohraußenseite berührt.
13. Wärmeübertragerrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (6) aus Rippen (3) gebildet werden, wobei mindestens eine der Rippen
(3) in mindestens einem der Merkmale Rippenhöhe, Rippenabstand, Rippenspitze, Rippenzwischenraum,
Rippenöffnungswinkel und Drall voneinander variiert.
1. Heat transfer pipe (1) having a longitudinal pipe axis (A), a pipe wall (2), an outer
pipe side (21) and an inner pipe side (22), wherein
- continually extending, axially parallel or helically circumferential ribs (3) are
formed from the pipe wall (2) at the outer pipe side (21) and/or inner pipe side (22),
- continuously extending primary grooves (4) are formed in each case between adjacent
ribs (3),
wherein the ribs (3) are subdivided along the rib extent into periodically repeating
rib portions (31) which are separated into a large number of projections (6) with
a projection height (h), wherein the projections (6) are formed by cutting the ribs
(3) at a cutting depth (t
1, t
2, t
3) transversely relative to the rib extent in order to form rib segments and by raising
the rib segments with a main orientation along the rib extent between primary grooves
(4),
characterised in that the projections (6) have alternately changing cutting depths (t
1, t
2, t
3) through a rib (3).
2. Heat transfer pipe (1) according to claim 1, characterised in that the rib portions (31) of the ribs (3) are formed from the ribs (3) by secondary grooves
(5) which extend at an angle of inclination β measured with respect to the longitudinal
pipe axis (A).
3. Heat transfer pipe (1) according to claim 1 or 2, characterised in that at least one projection (6) protrudes from the main orientation along the rib extent
over the primary groove (4).
4. Heat transfer pipe (1) according to claim 2 or 3, characterised in that the rib portions (31) of the ribs (3) are constructed to be elongate along the rib
extent.
5. Heat transfer pipe (1) according to any one of claims 1 to 4, characterised in that a plurality of projections (6) have at the location furthest away from the pipe wall
(2) a face (61) which is parallel with the longitudinal pipe axis (A).
6. Heat transfer pipe (1) according to any one of claims 1 to 5, characterised in that the projections (6) vary relative to each other in terms of projection height (h),
shape and orientation.
7. Heat transfer pipe (1) according to any one of claims 1 to 6, characterised in that a projection (6) has an acutely tapering tip (62) at the side facing away from the
pipe wall (2) .
8. Heat transfer pipe (1) according to any one of claims 1 to 7, characterised in that a projection (6) at the side facing away from the pipe wall (2) has a curved tip
(62) whose local radius of curvature is reduced with increasing spacing from the pipe
wall (2).
9. Heat transfer pipe (1) according to any one of claims 1 to 8, characterised in that the projections (6) have a different shape and/or height from a pipe beginning along
the longitudinal pipe axis (A) towards the opposing pipe end.
10. Heat transfer pipe (1) according to either claim 7 or claim 8, characterised in that the tips (62) of at least two projections (6) touch or intersect each other along
the rib extent.
11. Heat transfer pipe (1) according to either claim 7 or claim 8, characterised in that the tips (62) of at least two projections (6) touch or intersect each other over
the primary groove (4).
12. Heat transfer pipe (1) according to either claim 7 or claim 8, characterised in that at least one of the projections (6) is formed in such a manner that the tip (62)
thereof touches the inner pipe side (22) or the outer pipe side.
13. Heat transfer pipe (1) according to any one of claims 1 to 12, characterised in that the projections (6) are formed from ribs (3), wherein at least one of the ribs (3)
varies relative to the others in terms of at least one of the features rib height,
rib spacing, rib tip, intermediate rib space, rib opening angle and torsion.
1. Tube de transfert de chaleur (1) avec un axe longitudinal du tube (A), une paroi du
tube (2), un côté externe du tube (21) et un côté interne du tube (22),
où
- des nervures (3) s'étendant en continu, parallèles à l'axe ou circonférentielles
hélicoïdales sont formées sur le côté externe du tube (21) et/ou le côté interne du
tube (22) depuis la paroi du tube (2),
- des rainures primaires (4) s'étendant en continu sont formées entre les nervures
(3) voisines respectives,
où
- les nervures (3) sont subdivisées le long du tracé des nervures en sections de nervures
(31) se répétant périodiquement qui sont divisées en une pluralité de saillies (6)
avec une hauteur de saillie (h), en ce que les saillies (6) sont formées par coupe
des nervures (3) avec une profondeur de coupe (t1, t2, t3) transversalement au tracé des nervures pour former des segments de nervures et par
élévation des segments de nervures avec une orientation principale le long du tracé
des nervures entre les rainures primaires (4), caractérisé
- en ce que les saillies (6) présentent des profondeurs de coupe (t1, t2, t3) variant de manière alternée dans une nervure (3).
2. Tube de transfert de chaleur (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que les sections de nervures (31) des nervures (3) sont formées à partir des nervures
(3) par des rainures secondaires (5) s'étendant sous un angle d'inclinaison β mesuré
par rapport à l'axe longitudinal du tube (A).
3. Tube de transfert de chaleur (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une saillie (6) dépasse au-dessus de la rainure primaire (4) depuis l'orientation
principale le long du tracé des nervures.
4. Tube de transfert de chaleur (1) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les sections de nervures (31) des nervures (3) sont formées en s'étendant longitudinalement
le long du tracé des nervures.
5. Tube de transfert de chaleur (1) selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que plusieurs saillies (6) présentent une surface (61) parallèle à l'axe longitudinal
du tube (A) à l'emplacement le plus éloigné de la paroi du tube (2).
6. Tube de transfert de chaleur (1) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les saillies (6) varient entre elles dans la hauteur de saillie (h), la forme et
l'orientation.
7. Tube de transfert de chaleur (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'une saillie (6) du côté opposé à la paroi du tube (2) présente une pointe (62) qui
se termine en pointe.
8. Tube de transfert de chaleur (1) selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que une saillie (6) présente, sur le côté opposé à la paroi du tube (2), une pointe (62)
courbée dont le rayon de courbure local diminue, depuis la paroi du tube (2), à mesure
que la distance augmente.
9. Tube de transfert de chaleur (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les saillies (6) présentent une forme et/ou hauteur différente depuis un début du
tube le long de l'axe longitudinal du tube (A) jusqu'à l'extrémité du tube opposée.
10. Tube de transfert de chaleur (1) selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les pointes (62) d'au moins deux saillies (6) se touchent ou se croisent mutuellement
le long du tracé des nervures.
11. Tube de transfert de chaleur (1) selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les pointes (62) d'au moins deux saillies (6) se touchent ou se croisent mutuellement
au-dessus de la rainure primaire (4).
12. Tube de transfert de chaleur (1) selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu'au moins l'une des saillies (6) est déformée de telle manière que sa pointe (62) touche
le côté interne du tube (22) ou le côté externe du tube.
13. Tube de transfert de chaleur (1) selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les saillies (6) sont formées à partir de nervures (3), où au moins l'une des nervures
(3) varie par rapport aux autres dans au moins l'une des caractéristiques hauteur
des nervures, distance des nervures, pointe des nervures, interstice des nervures,
angle d'ouverture des nervures et torsion.