CH646511A5 - Waermeuebertragungsrohr und verfahren zu dessen herstellung. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE zwischen 3 bis 6 Mal grösser ist, als die Breite des gekrümm-

1. Wärmeübertragungsrohr zur Wärmeübertragung zwi- ten Bereichs der entsprechenden Spitze.

sehen der Rohrwand und einem durch das Rohr fliessenden

Fluid, gekennzeichnet durch ein Metallrohr mit im wesent-

liehen geradliniger Achse und schraubenlinienförmig entlang s der Rohrwand angeordneten Rippen, die zwischen 12 und 64 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeübertra-

Gänge und im wesentlichen eine gleichmässig gekrümmte An- gungsrohr zur Wärmeübertragung zwischen der Rohrwand

Ordnung längs der Rohrwand bilden, wobei jede Rippe einen und einem durch das Rohr fliessende Fluid, sowie ein Verfah-

Schraubenwinkel zwischen 30 und 60° bezüglich der Rohr- ren zu dessen Herstellung.

achse bildet und eine Rippenhöhe aufweist, derart dass das io Die Übertragung von Wärme in Wärmeaustauschern unVerhältnis von Rippenhöhe und Rohrdurchmesser grösser als ter Verwendung von Wärmeübertragungs- oder -austausch-0.01 ist, und wobei die Anzahl der Rippen eine Funktion des röhren hat in allen Industriezweigen, insbesondere in der Verreziproken Verhältnisses von Rippenhöhe und Rohrdurch- fahrens- und Energietechnik, weitverbreitete Anwendung ge-messer ist. funden. Da die Energie- und Kapitalkosten gestiegen sind,

2. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1, dadurch 15 hat das Bedürfnis nach Verbesserung der Wirksamkeit von gekennzeichnet, dass jede Rippe in einer die Rohrlängsachse Wärmeübertragungsflächen und haben die Einrichtungen zur enthaltenden Ebene ein Profil aufweist, das sich von einer Ba- Herstellung von Wärmeübertragungsrohren an Bedeutung sis nach aussen verjüngt und im Scheitel der Rippe eine ge- weiter zugenommen. Weil die Kosten von Wärmeaustau-krümmte Spitze definiert, wobei die Basis eine Breite von 3 bis Schern, bei denen Wärmeübertragungsrohre verwendet wer-

6 Mal den Wert der Breite des gekrümmten Bereichs der Spit- 20 den, von der Anzahl der Anzahl der Rohre und den Kosten ze aufweist. der Rohranordnung abhängen, ist es in hohem Masse er-

3. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1, dadurch wünscht, sowohl die Anzahl der erforderlichen Rohre herabgekennzeichnet, dass das Rohr aus einem flachen Streifen aus zusetzen, als auch wirtschaftlichere Einrichtungen zur Rohrmetallischem Material hergestellt ist, der spiralig gewickelt herstellung zu schaffen. Da ferner die Temperatur der Rohrist, so dass sich aneinanderstossende Seitenkanten ergeben, 25 wand bei gegebenen Strömungsbedingungen durch die Ober-die fluiddicht miteinander verbunden sind, wobei der flache flächenwärmeübergangszahlen an der Innen- und Aussenflä-Streifen derart ausgebildet ist, dass er vor dem Wickeln meh- che bestimmt ist, führt eine vorzugsweise Beeinflussung einer rere parallele, in Längsrichtung verlaufende Rippen aufweist, oder beider dieser Zahlen zu einem gewissen Mass an Beein-von denen jede ein Querprofil besitzt, das durch einen Kreis- flussung der Rohrwandtemperatur. Diese Beeinflussung kann bogen je an der Spitze und in der Senke definiert ist, welche 30 dazu verwendet werden, die Temperatur einer oder beider mittels einer Tangente zu beiden Kreisbogen verbunden sind. Prozessströmungen, d.h., entweder der inneren Strömung

4. Wärmeübertragungsrohr nach Anspruch 1, dadurch durch die Rohre oder der äusseren Strömung über die Rohrgekennzeichnet, dass das rohr aus einem flachen Streifen aus aussenflächen, für eine vorgegebene Rohrwandtemperatur zu metallischem Material hergestellt ist, der schraubenlinienför- erhöhen oder zu senken, oder aber die Rohrwandtemperatur mig gewickelt ist, so dass sich aneinanderstossende Seitenkan- 35 für vorgegebene Prozessströmungstemperaturen herabzuset-ten ergeben, die fluiddicht miteinander verbunden sind, wobei zen. Wärmeaustauscher ziehen oft Phasenänderungen nach der flache Streifen derart ausgebildet ist, dass er vor dem Wik- sich, indem z.B. Wasser genügend erwärmt wird, um in kein mehrere parallele, in Längsrichtung verlaufende Rippen Dampf überzugehen und Dampf genügend abgekühlt wird,

aufweist, deren Form im Querprofil durch eine transzendente um zu Wasser zu werden. Bei solchen Anwendungen ist oft ei-

Funktion beschrieben wird. _ io ne erhöhte Wärmeübertragung erwünscht, bei Dampfkon-

5. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragungs- densatoren z.B. kann der innere Wärmewiderstand des Ein-rohrs zur Wärmeübertragung zwischen der Rohrwand und ei- phasenkühlmittels dreimal so hoch sein, wie der äussere Wi-nem durch das Rohr strömenden Fluid gemäss Anspruch 1, derstand. Ein ähnliches Bedürfnis nach erhöhter Wärmeüber-dadurch gekennzeichnet, dass in einen im wesentlichen fla- tragung besteht in Kesseln von Abdampfverwertungskreis-chen Streifen aus metallischem Material eine zwischen 12 und 45 läufen; bei solchen Einheiten wird die Wärme von Abgasen 64 Gänge bildende Anzahl gleicher Rippen eingeformt wird, eines Dieselmotors oder einer Gasturbine geliefert, bringt eine so dass die Rippen die ganze Breite des Streifen bedecken und niedrige Heizrate mit sich und erfordert daher eine grosse sich im wesentlichen parallel zur Streifenlängsachse erstrek- Wärmeübertragungsfläche, falls die Wärmeübertragung nicht ken, dass der Streifen schraubenlinienartig um einen im we- erhöht werden kann. Sowohl bei Aufheizanordnungen als sentlichen zylindrischen Dorn geformt wird, so dass die Sei- so auch bei Kondensieranordnungen ist die Wärmeübertragung tenkanten des geformten Streifens aneinanderliegen und dass allgemein durch die Übertragungscharakteristiken des Eindie aneinander liegenden Seitenkanten fluiddicht verbunden phasenfluids begrenzt. Falls diese Begrenzung durch geeigne-werden, um ein Wärmeübertragungsrohr zu bilden, derart te Steigerung beseitigt wird, ist die Leistung eines Wärmeaus-dass die schraubenlinienartig geformten Streifen einen tauschers oder Kondensators durch die Zweiphasenwärme-Schraubenwinkel zwischen 30 und 60° bezüglich der Achse 55 Übertragungscharakteristiken bestimmt.

des geformten Rohrs aufweisen und die Rippen derart ausge- Die Verwendung von Verwirbelung, um die Wärmeüber-

bildet sind, dass sie ein Verhältnis zwischen Rippenhöhe und tragung zu verbessern, ist bekannt und kann in vielerlei Arten

Rohrdurchmesser von mehr als 0.01 bilden, wobei die Anzahl erfolgen. Es wurden z.B. Einsätze aus verdrehten Bändern be-

der Rippen eine Funktion des reziproken Verhältnisses von nutzt, die ein Mittel zur Erhöhung der Wärmeübertragung im

Rippenhöhe und Rohrdurchmesser ist. eo Rohrinnern ergeben. Auch tangentiale Injektion des Fluids

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, am Rohreingang wurde bereits verwendet, um eine anfäng-dass die Rippen derart im Streifen ausgebildet werden, dass liehe Drehbewegung zu erzeugen, die in Strömungsrichtung ein Rippenquerprofil entsteht,welches durch eine transzen- abklingt, jedoch während ihres Bestehens eine erhöhte Wär-dente Funktion beschrieben wird. meübertragung liefert. Die vorliegende Erfindung befasst sich

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 65 damit, eine bessere Wärmeübertragung zu Stande zu bringen, dass jede im Streifen eineformte Rippe ein Querprofil erhält, durch Bereitstellung eines neuen schraubenlinienförmig ge-das durch eine Basis und eine gekrümmte Spitze am Rippen- rillten Wärmeübertragungsrohrs sowie eines Verfahrens zu scheite! definiert ist, wobei die Basis eine Breite aufweist, die dessen Herstellung.

Demzufolge ist es eine der Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Wärmeübertragungsrohr und ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, das bei Verwendung in einem Wärmeaustauscher zu verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften führt. 5

Eine spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Wärmeübertragungsrohr zu schaffen, das mehrere nebeneinanderverlaufende schraubenlinienförmige Rippen in der Rohrwand aufweist, die in bestimmter Weise so angeordnet sind, dass sie fortlaufend sowohl aussen als im Innern des 10 Wärmeübertragungsrohrs eine Rotation der Strömung bewirken, wobei die Wölbung der Rippen derart ausgebildet ist,

dass der turbulente Wärmeaustausch zwischen dem Rohr und dem darin fliessenden Fluid verbessert wird.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 defi- is nierten Merkmale gelöst.

Es kann durch mathematische Analyse nachgewiesen werden, dass das Mass für die Wärmeübertragung pro Einheit Pumpenleistung bei einem Rohr mit schraubenlinienförmig gerippter Wand, (welches deshalb als verbessert und «erwei- 20 tert» den Index e trägt), bezüglich eines glatten, runden Rohres (Index s) gegeben ist durch: Bei fester Wärmeübertragung:

(— ) KW)s

(PL)2

.Ns3)

{ X )e

(ndL)2 s (^ ),

wobei

Q die Grösse des Wärmestroms P den Umfang des verbesserten und erweiterten Rohrs,

1.

Ns die Stanton-Zahl ^ Q cp • {Hl

W die Pumpleistung X den Reibungskoeffizienten Cp die spezifische Wärme bei konstantem Druck u die mittlere Geschwindigkeit h die Wärmeübergangszahl, und 9 die Dichte des Fluids bezeichnen.

Bei fester Kühlmittelflussrate:

(Q ) (iä) (w)e <• x )e

Es kann ferner auch gezeigt werden, dass das Verhältnis der Stanton-Zahl und des Reibungskoeffizienten dem Verhältnis der Turbulenzaustauschgrössen E der Wärmeleitung (h) und des Impulses (m) entspricht, da

25

30

35

40

45

50

55

&

En-

?

60

Daraus folgt, dass die Zunahme des Verhältnisses von Stanton-Zahl zu Reibungskoeffizient, oder anders, das Verhältnis der Austauschgrössen der Wärmeleitung und des Impulses über den Wert eines runden glatten Rohres hinaus, (welcher 1 ist), sehr erwünscht ist, insbesondere wenn zugleich die Wärmeübertragungsfläche vergrössert wird. Es kann je- 65 doch von Vorteil sein, wenn die Reibungszunahme grösser ist als die Zunahme der Stanton-Zahl, falls die Reibungszunahme kleiner ist, als das Produkt der dritten Potenz des Zuwach-

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ses der Stanton-Zahl und der Zunahme der Wärmeübertragungsfläche für den Fall einer festen Wärmeübertragungsrate.

Es ist allgemein anerkannt, dass in Wärmeübertragungsrohren der grösste Teil des Wärmeübergangswiderstands und der Wandreibung mit dem an der Rohrwand anliegenden Fluid zusammenhängt, der sogenannten laminaren Unterschicht, wo der Wärme- und Impulstransport vom molekularen Transport, der Wärmeleitfähigkeit und der Viskosität abhängen. Die Erhöhung des Wärmetransports kann in einem geraden, glatten Rohr nur durch Vergrösserung der Scherkraft mittels Erhöhen der Fluidgeschwindigkeit im Rohr oder durch Vergrösserung des Turbulenzgrades mittels Aufrauhen der Oberfläche des runden Rohrs erfolgen. Beide diese Ver-

fahren sind in ihrer Wirkung durch den Wert pk = 1 be-

grenzt. Die Schaffung einer Instabilität nahe der laminaren Unterschicht der Grenzschicht jedoch kann zu einer Erhöhung des Wärme-Diffusionsvermögens bezüglich der Zunahme des Impulsdiffusionsvermögens führen.

In einem schraubenlinienförmig gerippten Rohr veranlassen die Rippen eine Rotation der Strömung zwischen den Rippen und in der Hauptkernströmung als Folge ihrer Krümmung und den radialen Dichtegradienten. Die Umfangsgeschwindigkeitskomponente führt zu einer Zentrifugalkraft, die sich mit dem radialen Dichtegradienten verbindet und eine unstabile Dichteverteilung erzeugt, wenn die Richtung des Wärmeflusses radial nach innen verläuft.

Das beanspruchte Wärmeübertragungsrohr bewirkt vorteilhafterweise, dass das Verhältnis des thermischen Diffu-

Ei.

sionsvennögens zum Impulsdiffusionsvermögen («S- ) grösser

*-'m als 1 werden kann.

Schliesslich liegt eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung von schraubenlinienförmig gerippten Wärmeübertragungsrohren zu schaffen, das es erlaubt, die Rohre so auszubilden, dass die Turbulenzerscheinung optimal ausgenützt werden und eine optimale Wärmeübertragung sowie Reibungsleistung erzeugt wird, wobei das Verfahren im Vergleich mit bekannten Verfahren zur Herstellung schraubenlinienförmig gerippter Wärmeübertragungsrohren sehr ökonomisch sein soll.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 5 definierten Merkmale gelöst.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Rohr aus einem Streifen metallischen Materials hergestellt, dessen gegenüberliegende Flächen, z.B. durch Walzen, erweitert sind, so dass in Längsrichtung verlaufende Rippen entstehen, deren Querschnittsform oder Profil sich einer mathematisch glatten Kurve annähert. Nachdem die in Längsrichtung verlaufenden Rippen an den gegenüberliegenden Flächen des Streifens eingeformt sind, wird der Streifen zu einem Rohr um eine Achse gebogen, z.B. durch spiraliges Walzen, so dass die Seitenkanten des Streifens aneinander anliegen und fortlaufende, schraubenlinienförmige Rippen längs des Rohrs entstehen, wobei die aneinandergrenzenden Seitenkanten des schraubenlinienförmig gewickelten Streifens fluiddicht verbunden werden, z.B. durch Schweissen.

Nachfolgend werden anhand der beiliegenden Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen darin:

Fig. 1 eine Aufsicht eines Teils des erfindungsgemässen Rohres,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Streifenteils aus metallischem Material mit mehreren, in Längsrichtung verlaufenden Rippen, das zu einem Wärmeübertragungsrohr nach Fig. 1 gebogen werden kann,

Fig. 2a eine Schnittansicht längs der Linie 2a-2a in Fig. 2,

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Fig. 2b eine Schnittansicht entsprechend Fig. 2a, wobei je- die Innen- und Aussenflächen eines resultierenden Wärme-doch ein anderes Rippenprofil gezeigt ist, Übertragungsrohrs gemeint, das aus einer Platte mit einge-

Fig. 3 eine Aufsicht auf einen Teil einer schematisch dar- formten Längsrippen der in den Fig. 2,2a oder 2b gezeigten gestellten Vorrichtung für die Formung des gerippten Strei- Querschnittsformen hergestellt ist.

fens von Fig. 2 zu einem schraubenlinienförmig gewickelten 5 Bei den Ausführungsbeispielen in den Fig. 2a und 2b sind Rohr, das das Wärmeübertragungsrohr nach Fig. 1 bildet, die innersten Flächenelemente, welche die Täler der gegen-und überliegenden gerippten Flächen im Streifen 20 bilden, wie

Fig. 4 eine Stirnansicht der schematisch dargestellten z.B. die Stellen 14a und 14b, durch eine bestimmte Dicke des

Rohrherstellungsvorrichtung nach Fig. 3. Basismaterials getrennt, welche in Fig. 2a mit «b» bezeichnet

In den Figuren und insbesondere in Fig. 1 ist das Wärme- 10 ist. Die Dicke des Basismaterials bleibt über den Umfang des Übertragungsrohr gemäss der vorliegenden Erfindung allge- geformten Rohrs 10 gleich. Indem die die Täler 14a und 14b mein mit 10 bezeichnet. Das Wärmeübertragungsrohr 10 hat an den gegenüberliegenden Flächen des Streifens 20 durch ei-eine Umfangswand, die eine Mehrzahl von Schraubenlinien- ne gewisse Basismaterialdicke getrennt sind, behält das Rohr förmigen Rippen 12 bildet, so dass abwechselnd Berge und aus den gerippten Streifen die Fähigkeit, sowohl inneren als Täler entstehen, wie an den Stellen 14a bzw. 16a, wenn das 15 auch äusseren Drücken zu widerstehen, ohne dass grosse Bie-Rohr 10 von aussen betrachtet wird und an den Stellen 14b gebeanspruchungen an den die Rippen bildenden Rohrwän-bzw. 16b, wenn das Rohr 10 von innen betrachtet wird. Um de, z.B. an den Stellen 14c und 14d in Fig. 2a, entstehen, die die maximale mittlere Wandstärke der Rohrwand aufrechtzu- die Tendenz hätten, die Rohrwand zu deformieren. Das Beierhalten, liegen die Täler der einen Oberfläche, z.B. der Aus- spiel einer Biegebeanspruchung an einem Wandteil 14c ist in senfläche, vorzugsweise gegenüber den Bergen der anderen 20 Fig. 2a durch den Kraftvektor 18 angedeutet.

Oberfläche, d.h., der Innenfläche, und umgekehrt. Die Ebenen, welche die innersten Wandelemente der Täler

In Fig. 2 ist das gezeigte Wärmeübertragungsrohr 10 aus 14a und 14b an den gegenüberliegenden Flächen des geripp-einem anfänglich flachen Streifen oder einer Platte 20 aus ge- ten Streifens 20 enthalten, sind vorzugsweise wie in Fig. 2a geeignetem metallischem Wärmeübertragungsmaterial, wie z.B. zeigt beabstandet, ausreichende Leistungsfähigkeit kann je-Stahl, Aluminium oder ähnlichem, hergestellt, wobei der 25 doch, je nach der bestimmten Anwendung, erzielt werden, Streifen bzw. die Platte 20 eine im wesentlichen gleichmässige wenn diese Ebenen im wesentlichen koplanar liegen, wie in Dicke und eine wesentlich grössere Länge als Breite aufweist. Fig. 2b. Wie aus dieser Fig. ersichtlich, kann die Grösse b für Der flache Metallstreifen 20 kann beispielsweise von einer niedrige oder mässige Drücke negativ sein; d.h., das Tal 14b Walze abgezogen und durch herkömmliche Richtwalzen ge- der Rippen an der Rohrinnenseite kann auf einem Durchmes-führt werden, wonach die gegenüberliegenden Flächen des 30 ser liegen, der grösser ist als der Druchmesser, auf welchem Streifens mittels bekannten Einrichtungen, wie z.B. gegen- die Täler 14a der Aussenfläche hegen.

überliegenden Konturwalzen (nicht dargestellt), zwischen Das Wärmeübertragungsrohr 10 kann aus irgendeinem welchen der Streifen hindurchgeführt wird, verformt werden, geeigneten metallischen Wärmeübertragungsmaterial herge-so dass mehrere in Längsrichtung verlaufende, parallele Rip- stellt werden; als Beispiele seien 12% Chrom-Legierungs-pen 12 an den gegenüberliegenden Oberflächen entstehen. Es 35 stahl, wie z.B. die rostfreien Stähle der Typen 420 oder 422 ge-können zur Herstellung der Rippen 12 auch andere Verfah- nannt, oder rostfreier Stahl der Typenreihe 300, Titan sowie ren, wie z.B. die Verwendung von Extrudiereinrichtungen, Aluminium. Der Metallstreifen 20 kann eine Dicke von etwa vorgesehen sein. Die Rippen 12 erstrecken sich über die ganze 0,038 bis 0,3 cm haben zur nachfolgenden Verformung in ein Querausdehnung des Streifens und bilden danach die schrau- Rohr mit einem Durchmesser von etwa 1,9 bis 2,54 cm. benlinienförmigen Rippen 12 auf dem Wärmeübertragungs- 40 Beim Verformen des gerippten Metallstreifens 20 zu ei-

rohr 10. _ nem Wärmeübertragungsrohr 10, wird dem Streifen durch

Die Rippenform oder das Querschnittsprofil, wie in den schraubenlinienförmiges Umwickeln einer Achse eine schrau-Fig. 2,2a und 2b dargestellt, ist vor dem Wickeln einer mathe- benlinienförmig gewickelte Rohrkonfiguration erteilt, wobei matisch glatten Kurve angenähert, wie z.B. eine Fläche, die die Seitenkanten des Streifens, wie bei 22 und 24 in Fig. 2 an-durch eine transzendente Funktion beschrieben werden kann. 45 gedeutet aneinanderliegen, wonach die aneinanderanliegen-Die gegenüberliegenden Flächen des in Fig. 2a gezeigten Me- den Seitenkanten fluiddicht befestigt werden.

tallstreifenteils sind so erweitert, dass sie ein Sinuskurvenpro- Die Fig. 3 und 4 zeigen schematisch eine Apparatur, die fil bilden. Die in Fig. 2b gezeigten Rippenformen sind so aus- allgemein mit 30 bezeichnet ist und dazu dient, den in Längsgebildet, dass sie an der Erhöhung jeder Rippe einen kreisför- richtung gerippten, metallischen Streifen schraubenförmig migen Bogen bilden, wie an den Stellen 14a bzw. 14b für die 50 oder spiralförmig um eine Achse zu wickeln, um so das Wärgerippte Innen- bzw. Aussenfläche gezeigt, sowie auch in je- meübertragungsrohr 10 zu bilden. Die Apparatur 30 besitzt dem Tal einen kreisförmigen Bogen bilden, wie an den Stellen einen zylindrischen Dorn 32, um den herum drei drehbare 16a bzw. 16b für die Innen- bzw. Aussenfläche dargestellt. Rollen angeordnet sind. Die Rollen umfassen eine erste Rolle Die kreisförmigen Bogen, welche die Berge und die Täler bil- 34, die eine untere Halterolle ist, sowie eine zweite, seitliche den, sind tangential zu beiden entsprechenden Kreisbogen ge-55 Halterolle 36, die einen kleineren Durchmesser hat, und eine radlinig verbunden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dritte Formungsrolle 38, welche einen grösseren Durchmesser dass die Kreisbogen, welche die Berge und Täler bilden, inei- als die Rollen 34 und 36 hat und so angeordnet ist, dass sie nander übergehen, so dass sie mittels einer transzendenten auf der der unteren Halterolle 34 entgegengesetzten Seite über Funktion beschrieben werden müssen. Die Rippenform ver- dem Dorn liegt. Die untere Halterolle 34 und die seitliche jüngt sich zu einer gekrümmten Spitze, wobei der gekrümmte 60 Halterolle 36 haben allgemein zylindrische Umfangsoberflä-Bereich eine Breite hat, die um einen Faktor zwischen 3 und 6 chen und dienen dazu, mit der Umfangsoberfläche des Dorns mal schmaler als die Basis der Rippe ist, wie sie durch den Ab- 32 in Eingriff zu treten und sie bzw. ihn gegen die Formungsstand zwischen Parallelebenen senkrecht zur Rohrachse sowie rolle 38 abzustützen. Die Formungsrolle 38 hat eine durch die Krümmungsmittelpunkte der Basis- oder Talbogen Umfangsoberfläche mit einem Oberflächenprofil, das der bestimmt ist. Anders gesagt sollte die Basis jeder Rippe, be- 65 Oberflächenkonfiguration der Rippen 12 des metallischen trachtet im Längsschnitt durch das Rohr, um einen Faktor Streifens 20 entspricht, so dass sie der Oberfläche des geripp-zwischen etwa 3 und 6 grösser sein, als die Breite des entspre- ten, metallischen Streifens angepasst ist, während der Streifen chenden Bergs. Mit «Innen»- und «Aussen»-Flächen werden spiralig zu dem Wärmeübertragungsrohr 10 geformt wird.

Beispielsweise kann der Dom 32 mit einer spiralförmigen Si-nuswellen-Oberflächenkonfiguration versehen sein, damit er der gegenüberliegenden Oberfläche des gerippten Streifens 20 angepasst ist, wenn der Streifen zu dem Rohr 10 geformt wird. Die Halterollen 34 und 36 sowie die Formungsrolle 38 sind so gelagert, dass sie sich um Achsen drehen, die winklig relativ zur Achse des zylindrischen Dorns 32 vorgesehen sind, wie an sich bekannt ist.

Im Betrieb wird ein Streifen einer geeigneten Metallplatte oder eines Bandes mittels Konturwalzen so geformt, dass in Längsrichtung verlaufende Rippen gebildet werden, so dass ein gerippter Streifen entsteht, wie in Fig. 2 gezeigt. Der gerippte Streifen oder die Platte wird zwischen die Formungsrolle 38 und den Dorn 32 tangential zur Umfangsfläche des Dorns 32 und der Formungsrolle 38 in einer Richtung, die senkrecht zu einer die Rotationsachse der Formungsrolle 38 enthaltenden Vertikalebene verläuft, eingegeben.

Die Formungsapparatur 30 arbeitet so, dass sie den Streifen 20 zu einer schraubenförmig gewickelten, rohrförmigen Konfiguration formt, bei der sich die Seitenkanten 22 und 24 in gegenseitiger Anlage befinden. Danach werden die Seitenkanten des schraubenförmig gewickelten Streifens 20 mittels irgendeiner bekannten Schweisstechnik einschliesslich Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweissung, fluiddicht aneinander befestigt. Die Oberflächenerweiterungen oder Rippen 12, die vor der Spiralformung ursprünglich in Längsrichtung des Streifens 20 verliefen, bilden nun eine kontinuierliche, spiralförmige oder schraubenförmige, gerippte Oberfläche sowohl auf der Innen- als auch auf der Aussenseite des Rohrs 10.

Beim Formen des WärmeübertragungsrohrslO wird der metallische Streifen 20 so geformt, dass er einen Steigungswinkel zwischen etwa 30 und 60° bildet, wobei dieser Steigungswinkel der Winkel ist, der von der Achse des Rohrs und einer Ebene eingeschlossen wird, welche die Achse des Rohrs schneidet und tangential zu einer Stelle auf der Linie von aneinander anliegenden Seitenkanten des gewickelten Streifens ist. In Fig. 1 ist der Steigungswinkel durch den griechischen Buchstaben phi angedeutet.

Ein Vergleich der Leistungsfähigkeit der erfindungsge-mäss hergestellten schraubenlinienförmig gerippten Wärmeübertragungsrohre mit derjenigen von bekannten handelsüblichen, schraubenlinienförmig gerippten und geraden Rohren kann dadurch angestellt werden, indem für jedes Rohr ein Rohleistungsfaktor definiert wird, der das Verhältnis der Stantonzahl zum Reibungsfaktor multipliziert mit der Prandtl-Zahl zur 2/3-Leistung umfasst. Der Leistungsfaktor kann dann als Ordinate gegen die Reynolds-Zahl als Abszisse aufgetragen werden. Die Prandtl-Zahl ist notwendig, um den unterschiedlichen Eigenschaften des Kühlmittels Rechnung zu tragen, das bei der oben erwähnten mathematischen Ableitung als unverändert angenommen wurde. Bei einer Reynolds-Zahl von weniger als 60 000 und für konstanten Mas-senfluss, führte ein erfindungsgemäss ausgestaltetes schraubenlinienförmig geripptes Rohr zu einem Leistungsfaktor wesentlich grösser als 1. Bei einer Reynolds-Zahl von 30 000 wurde für ein erfindungsgemäss ausgebildetes, schraubenlinienförmig geripptes Rohr mit einem Rippensteigungswinkel von etwa 30° ein Leistungsfaktor von 2 erzielt, während sich bei 45° ein Leistungsfaktor von 1,37 ergibt.

Bei einer Bewertung von Wärmeübertragungsrohren, basierend auf konstantem Wärmetransfer, wurde überdies fest646511

gestellt, dass schraubenlinienförmig gerippte Rohre gemäss der vorliegenden Erfindung zu einem Leistungsfaktor führen, der etwa um den Faktor 2 grösser ist, als derjenige bekannter, handelsüblicher Rohre.

Zusätzlich zur besseren Wärmeübertragungsleistung sind schraubenlinienförmig gerippte Rohre gemäss der vorliegenden Erfindung wegen ihrem Herstellungsverfahren flexibler betreffend Rippenprofil und Geometrie, so dass der beste Nutzen aus der Turbulenzphysik gezogen werden kann, um bessere Wärmeübertragung und Reibungsleistung zu erzeugen. Ferner gibt das erfindungsgemässe Rohrherstellungsverfahren Einsparungen der Herstellungskosten mit der wesentlichen Möglichkeit, die Kosten für die Rohranordnungen in Wärmeaustauschern zu senken.

Wie vorstehend ausgeführt, ist es allgemein anerkannt, dass der Hauptteil des Wärmeübergangswiderstands und der Hauptteil des Oberflächenwiderstands in einem Wärmeübertragungsrohr mit dem Fluid zusammenhängt, das an der Rohrwand anliegt, der sogenannten laminaren Unterschicht, wo der Wärme- und Impulstransport vom molekularen Transport, der thermischen Leitfähigkeit und der Viskosität abhängen. Für ein gerades oder flaches, rundes Rohr kann eine Erhöhung des Wärmetransports nur erreicht werden, indem die Scherkräfte durch Vergrössern der Fluidgeschwin-digkeit im Rohr erhöht werden, oder indem der Turbulenzgrad durch Aufrauhen der Rohroberfläche vergrössert wird.

Beide diese Verfahren sind in ihrer Leistungsfähigkeit durch

E

den Wert W!- = 1 begrenzt.

-^m

Gemäss einem wichtigen Merkmal des Wärmeübertragungsrohrs 10 gemäss der vorliegenden Erfindung, wird durch die schraubenlinienförmigen Rippen in der Nähe der laminaren Unterschicht eine Instabilität erzeugt, die zu einer Erhöhung des Wärmediffusionsvermögens bezüglich der Zunahme des Impulsdiffusionsvermögens führt. Wie bemerkt, sollten die Steigungswinkel der Rippen im Bereich von 30 bis 60° gegen die Axialrichtung liegen. Der genaue Winkelwert hängt vom Wert des Wärmeflusses ab. Die Höhe der Rippen bezüglich dem Rohrdurchmesser sollte grösser sein, als die relative Dicke der laminaren Unterschicht bei einer Reynolds-Zahl von 30 000. Das Verhältnis der Rippenhöhe zum Rohrdurchmesser sollte grösser als 0,01 und vorzugsweise im Bereich von etwa 0,05 bis 0,25, wobei der Rohrdurchmesser sich auf den mittleren Rippendurchmesser am Umfangskreis um die Rohrmittelachse bezieht. Die pysikalischen Parameter, die den exakten Wert der Rippenhöhe zum Rohrdurchmesser bestimmen, sind der Wärmefluss und der Steigungswinkel der Schraubenlinie, welche beide mit dem Verhältnis von Rippenhöhe zu Rohrdurchmesser zunehmen.

Die Anzahl Rippen für ein bestimmtes Rohr ist eine Funktion des reziproken Verhältnisses der Rippenhöhe und des Durchmessers und sollte zwischen 12 und 64 liegen. Die genaue Anzahl hängt vom Verhältnis der Rippenhöhe und des Durchmessers ab, was, wie ausgeführt, eine Funktion des Wärmeflusses und des Steigungswinkels ist. Wie ebenfalls schon früher erwähnt, sollten die Rippenformen vor dem schraubenlinienförmigen Wickeln einer mathematisch glatten Kurve nahekommen, wie sie aus kreisbogenförmigen Erhebungen und Tälern, verbunden mit einer Tangente zu beiden Kreisbogen oder andererseits aus einer Fläche, deren Schnitt mittels einer transzendenten Funktion, wie einer Sinuskurve, beschrieben werden kann, ergibt.

5

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

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2 Blatt Zeichnungen