EP1996739B1 - Verwendung eines wärmeaustauscherrohrs - Google Patents

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Johann Gschaider
Robert Klöckler
Hans-Achim Kuhn
Eberhard Lepin
Christoph Walther
Rolf Wamsler
Martin Straub
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/08—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of metal
    • F28F21/081—Heat exchange elements made from metals or metal alloys
    • F28F21/085—Heat exchange elements made from metals or metal alloys from copper or copper alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper

Definitions

  • the present invention relates to the use of a heat exchanger tube made of a copper alloy.
  • CO2 as a natural refrigerant that does not contribute to the destruction of the ozone layer and is neutral in its direct contribution to the greenhouse effect, is an ecologically interesting and economically viable alternative to the HFC refrigerants currently in use in Europe.
  • the working range of the refrigerant CO2 is at pressures up to 130 bar and thus far above the usual for CFC and HFC safety refrigerants pressures up to 35 bar. But Depending on the application, permissible pressures of up to 50 bar are also required for evaporators, in particular if hot gas defrosting is provided.
  • a Cu-Zn-P-Ni-Fe-Sn-Co alloy which can be used for heat exchange tubes.
  • properties such as yield strength or tensile strength are of central importance in connection with some refrigerants.
  • the material properties ultimately determine the required tube wall thickness, which is required, for example, for the CO 2 refrigerant for higher pressures.
  • the invention has for its object to seek alternative solutions that allow the use of copper alloys at low pipe thicknesses even at high pressure levels.
  • the invention is based on the consideration that a heat exchanger tube with an inside substantially smooth or textured surface for use in the gas cooler, condenser or evaporator of a working with CO2 chiller or heat pump is used.
  • the term includes on the inside substantially smooth also by welding seams resulting surfaces.
  • the working medium CO2 flows on the inside of the heat exchanger tubes and, depending on the temperature conditions of the specific application, has a pressure position that clearly stands out from the pressures known for CFC and HFC safety refrigerants and places high demands on the pressure resistance of the tubes used.
  • the particular advantage is that by the higher-strength Cu alloys according to the invention, which allow small wall thicknesses even at high pressure levels, thus significant material savings and thus weight and cost advantage can be achieved.
  • these Cu alloys have excellent processing properties, especially expansion, bending and brazing.
  • the pipe outside diameter may be in the range of 3-16 mm.
  • the ratio of the wall thickness to the pipe outside diameter is advantageously selected in the range of 0.025 to 0.08. This results in pipe wall thicknesses which are in the similar size range as today for HFC safety refrigerants usually used copper tubes are made of Cu-DHP and thus can be expected very good properties with respect to the further processing,
  • the pipe material may have a yield strength R p0.2 over 160 N / mm 2 . It is also essential that the tube material has a tensile strength R m above 300 N / mm 2 . This results, for example, for a pipe with an outer diameter of 9.52 mm and an operating pressure of 130 bar necessary pipe wall thicknesses of at most 0.55 mm and thus a material saving of more than 40% compared to pipes made of Cu-DHP.
  • the heat exchanger tube may be formed of a strip material and have a weld.
  • welds come into consideration, which extend in the axial direction or are spirally encircling.
  • As a possible joining method for pipe production is particularly suitable for the high-frequency welding process. This results in particular advantages over other joining methods on the one hand, realizable high production speeds and, secondly, a microstructure state, which after a usually following annealing process has no loss of strength over the material not influenced by the joining process.
  • the heat exchanger tube may be seamless.
  • seamless tubes and welded tubes may be considered equivalent in the use of the invention.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs aus einer Kupferlegierung.
  • Nachdem die chlorhaltigen Sicherheitskältemittel (FCKW) aufgrund ihrer ozonschädigenden Wirkung durch chlorfreie Sicherheitskältemittel (HFKW) ersetzt wurden, kam schon bald die Diskussion um deren hohes Treibhauspotential auf. Vermehrt in den Blick rückten aus diesem Grund die natürlichen Kältemittel, vor allem CO2.
  • CO2 ist als natürliches Kältemittel, das nicht zur Zerstörung der Ozonschicht beiträgt und sich bezüglich des direkten Beitrags zum Treibhauseffekt neutral verhält, eine ökologisch interessante und je nach Anwendung und Rahmenbedingung wirtschaftliche Alternative zu den heute in Europa überwiegend eingesetzten HFKW-Kältemitteln.
  • So sind in der Kältetechnik Anwendungen im Kaskadenbetrieb mit NH3 bekannt, in denen CO2 Verdampfer und Kondensatoren im unterkritischen Betrieb eingesetzt werden, aber auch transkritische CO2-Kälteprozesse und -Wärmepumpen, in denen der Verdampfer unterhalb und der dem Kondensator entsprechende Gaskühler oberhalb des kritischen Punktes von CO2 arbeiten.
  • Insbesondere im letzteren Fall des Gaskühlers liegt der Arbeitsbereich des Kältemittel CO2 bei Drücken bis zu 130 bar und somit weit oberhalb der bei FCKW- und HFKW-Sicherheitskältemitteln üblichen Drücke bis zu 35 bar. Aber auch für Verdampfer werden je nach Anwendung zulässige Drücke bis 50 bar gefordert, insbesondere wenn eine Heißgasabtauung vorgesehen ist.
  • Diese Druckanforderungen sind mit Kupferrohren aus Cu-DHP, welche üblicherweise in mit FCKW- und HFKW-Sicherheitkältemitteln betriebenen Wärmeaustauschern eingesetzt werden, nur schwer zu realisieren, da sehr große Rohrwandstärken einzusetzen sind, mit entsprechend negativen Auswirkungen auf die Verarbeitbarkeit, insbesondere das Aufweiten und Biegen, das Gewicht des Wärmeaustauschers und die Apparatekosten. Stattdessen ist es heute Stand der Technik, Rohre aus feuerverzinktem Stahl oder Edelstahl einzusetzen, mit denen die genannten Drücke relativ einfach zu beherrschen sind.
  • Allerdings weisen auch die bisher eingesetzten Rohre aus Stahl bzw. Edelstahl deutliche Nachteile gegenüber Kupfer in Bezug auf die Verarbeitbarkeit, die Effizienz und die Kosten auf.
  • Aus der Druckschrift EP 1 630 240 A1 ist eine Cu-Zn-P-Ni-Fe-Sn-Co-Legierung bekannt, die für Wärmeaustauschrohre verwendet werden kann. Für derartige Rohrtypen sind in Verbindung mit manchen Kältemitteln Eigenschaften wie die Dehngrenze oder die Zugfestigkeit von zentraler Bedeutung. Über die Materialeigenschaften wird letztendlich die erforderliche Rohrwanddicke bestimmt, die beispielsweise für das Kältemittel CO2 für höhere Drücke benötigt wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Alternativlösungen zu suchen, die auch bei hohen Drucklagen den Einsatz von Kupferlegierungen bei kleinen Rohrvandstärken erlauben.
  • Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein Wärmeaustauscherrohr mit einer innenseitig im Wesentlichen glatten oder strukturierten Oberfläche zum Einsatz im Gaskühler, Kondensator oder Verdampfer einer mit CO2 arbeitenden Kältemaschine oder Wärmepumpe verwendet wird. In diesem Zusammenhang schließt der Begriff innenseitig im Wesentlichen glatt auch durch Schweißnähte entstehende Oberflächen mit ein. Das Arbeitsmedium CO2 fließt dabei auf der Innenseite der Wärmeaustauscherrohre und weist abhängig von den Temperaturbedingungen der speziellen Anwendung eine Drucklage auf, die sich deutlich von den für FCKW- und HFKW-Sicherheitskältemitteln bekannten Drücken abhebt und hohe Anforderungen an die Druckbeständigkeit der eingesetzten Rohre stellt.
  • Bisher wurden in entsprechenden Anwendungen zumeist Edelstähle und Stähle bevorzugt eingesetzt, da die in der Kälte-/Klimatechnik sonst üblichen Kupferrohre aus Cu-DHP aufgrund der Drucklage und der erforderlichen großen Wandstärken bisher hohe Kostennachteile aufwiesen.
  • Der besondere Vorteil besteht darin, dass durch die erfindungsgemäßen höherfesten Cu-Legierungen, die auch bei hohen Drucklagen kleine Wandstärken erlauben, somit deutliche Materialeinsparungen ermöglicht und dadurch Gewichts- und Kostenvorteil erzielt werden. Zudem weisen diese Cu-Legierungen exzellente Eigenschaften bei der Verarbeitung, insbesondere dem Aufweiten, Biegen und Löten auf.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Rohraußendurchmesser im Bereich von 3-16 mm liegen. In diesem Zusammenhang wird das Verhältnis der Wandstärke zum Rohraußendurchmesser vorteilhafterweise im Bereich von 0,025 bis 0,08 gewählt. Hierdurch ergeben sich Rohrwandstärken, welche im ähnlichen Größenbereich wie heute für HFKW-Sicherheitskältemittel üblicherweise verwendete Kupferrohre aus Cu-DHP liegen und somit sehr gute Eigenschaften bzgl. der Weiterverarbeitbarkeit erwarten lassen,
  • In bevorzugter Weiterbildung kann das Rohrmaterial eine Dehngrenze Rp0,2 über 160 N/mm2 aufweisen. Es ist weiterhin wesentlich, dass das Rohrmaterial eine Zugfestigkeit Rm über 300 N/mm2 besitzt. Hierdurch ergeben sich zum Beispiel für ein Rohr mit Außendurchmesser 9,52mm und einem Betriebsdruck von 130 bar notwendige Rohrwandstärken von höchstens 0,55 mm und damit eine Materialeinsparung von mehr als 40 % gegenüber Rohren aus Cu-DHP.
  • Vorzugsweise kann das Wärmeaustauscherrohr aus einem Bandmaterial geformt sein und eine Schweißnaht aufweisen. Dabei kommen auch Schweißnähte in Betracht, die sich in axialer Richtung erstrecken oder spiralig umlaufend sind. Als mögliches Fügeverfahren zur Rohrherstellung eignet sich insbesondere das Hochfrequenzschweißverfahren. Hierdurch ergeben sich als besondere Vorteile gegenüber anderen Fügeverfahren zum einen realisierbare hohe Fertigungsgeschwindigkeiten und zum anderen ein Gefügezustand, der nach einem üblicherweise folgenden Glühprozess keine Festigkeitseinbußen gegenüber dem vom Fügeprozess nicht beeinflussten Material aufweist.
  • Alternativ kann das Wärmeaustauscherrohr nahtlos sein. Nahtlose Rohre und geschweißte Rohre können jedoch in der erfindungsgemäßen Verwendung als gleichwertig angesehen werden.
  • Weitere Vorteile ergeben sich, wenn die Oberfläche der Innenseite des Rohres strukturiert ist. Hierdurch lassen sich der Wärmeübergangskoeffizient und damit die Wärmeübertragungsleistung steigern.

Claims (6)

  1. Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs aus einer Kupferlegierung, welche aus den Legierungselementen [in Gew.-%]
    0,05 - 3 % Fe,
    0,01 - 0,15 % P,
    und wahlweise
    0,05 - 0,2 % Zn
    0,02 - 0,05 % Sn
    und Rest Cu sowie unvermeidliche Verunreinigungen besteht, als Kondensator-, Verdampfer- oder Gaskühlerrohr für einen Betriebsdruck oberhalb des kritischen Punktes einer mit CO2 arbeitenden Kältemaschine oder Wärmepumpe, wobei das Verhältnis der Wandstärke zum Rohraußendurchmesser im Bereich von 0,025 bis 0,08 liegt und das Rohrmaterial eine Zugfestigkeit Rm über 300 N/mm2 aufweist.
  2. Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Rohraußendurchmesser im Bereich von 3 - 16 mm liegt.
  3. Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrmaterial eine Dehngrenze Rp0,2 über 160 N/mm2 aufweist.
  4. Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauscherrohr aus einem Bandmaterial geformt ist und eine Schweißnaht aufweist.
  5. Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeaustauscherrohr nahtlos ist.
  6. Verwendung eines Wärmeaustauscherrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Innenseite des Rohres strukturiert ist.
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