EP4237781B1

EP4237781B1 - Metallisches wärmeaustauscherrohr

Info

Publication number: EP4237781B1
Application number: EP21793853.9A
Authority: EP
Inventors: Achim Gotterbarm; Manfred Knab; Ronald Lutz; Zhong Luo; Jianying Cao
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2020-10-31
Filing date: 2021-10-07
Publication date: 2024-10-23
Anticipated expiration: 2041-10-07
Also published as: PL4237781T3; CA3192309A1; EP4237781A1; SI4237781T1; JP7620087B2; JP2023545915A; HUE069903T2; CN116507864A; KR20230098133A; WO2022089772A1; US20230400264A1; US12298088B2; CN116507864B; PT4237781T; MX2023004837A

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Wärmeaustauscherrohr nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. DE 10 2014 002829 A1 z.B. offenbart ein derartiges Wärmeaustauscherrohr.
Verdampfung tritt in vielen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik sowie in der Prozess- und Energietechnik auf. Häufig werden Rohrbündelwärmeaustauscher verwendet, in denen Flüssigkeiten von Reinstoffen oder Mischungen auf der Rohraußenseite verdampfen und dabei auf der Rohrinnenseite eine Sole oder Wasser abkühlen.
Durch die Intensivierung des Wärmeübergangs auf der Rohraußen- und der Rohrinnenseite lässt sich die Größe der Verdampfer stark reduzieren. Hierdurch nehmen die Herstellungskosten solcher Apparate ab. Außerdem sinkt die notwendige Füllmenge an Kältemittel, die bei den mittlerweile überwiegend verwendeten chlorfreien Sicherheitskältemitteln einen nicht zu vernachlässigenden Kostenanteil an den gesamten Anlagekosten ausmachen kann. Zudem sind die heute üblichen Hochleistungsrohre bereits etwa um den Faktor vier leistungsfähiger als glatte Rohre gleichen Durchmessers.
Die leistungsstärksten, kommerziell erhältlichen Rippenrohre für überflutete Verdampfer besitzen auf der Rohraußenseite eine Rippenstruktur mit einer Rippendichte von 55 bis 60 Rippen pro Zoll ( US 5,669,441 A ; US 5,697,430 A ; DE 197 57 526 C1 ). Dies entspricht einer Rippenteilung von ca. 0,45 bis 0,40 mm. Weiterhin ist bekannt, dass leistungsgesteigerte Verdampfungsstrukturen bei gleichbleibender Rippenteilung auf der Rohraußenseite erzeugt werden können, indem man zusätzliche Strukturelemente im Bereich des Nutengrundes zwischen den Rippen einbringt.
In EP 1 223 400 B1 wird vorgeschlagen, am Nutengrund zwischen den Rippen hinterschnittene Sekundärnuten zu erzeugen, die sich kontinuierlich entlang der Primärnut erstrecken. Der Querschnitt dieser Sekundärnuten kann konstant bleiben oder in regelmäßigen Abständen variiert werden.
Zudem sind aus DE 10 2008 013 929 B3 Strukturen am Nutengrund bekannt, die als lokale Kavitäten ausgebildet sind, wodurch zur Erhöhung des Wärmeüberganges bei der Verdampfung der Vorgang des Blasensiedens intensiviert wird. Die Lage der Kavitäten in der Nähe des primären Nutengrundes ist für den Verdampfungsprozess günstig, da am Nutengrund die Übertemperatur am größten ist und deshalb dort die höchste treibende Temperaturdifferenz für die Blasenbildung zur Verfügung steht.
Weitere Beispiele für Strukturen am Nutengrund sind in EP 0 222 100 B1 , US 7,254,964 B2 oder US 5,186,252 A zu finden. Diesen Strukturen ist gemeinsam, dass die Strukturelemente am Nutengrund keine hinterschnittene Form aufweisen. Es handelt sich dabei entweder um in den Nutengrund eingebrachte Eindrückungen oder um Auskragungen im unteren Bereich des Kanals. Höhere Auskragungen werden im Stand der Technik explizit ausgeschlossen, da zu befürchten wäre, dass der Fluidfluss im Kanal für einen Wärmeaustausch nachteilig behindert wird.
Ein weiterer Ansatz mit höheren Strukturen ausgehend vom Nutengrund ist in EP 3 111 153 B1 offenbart. Es handelt sich bei den Strukturen um Auskragungen im Kanal, die eine Segmentierung hervorrufen. Durch eine Segmentierung zwischen zwei Rippen wird der Kanal in umlaufender Richtung immer wieder unterbrochen und so das Wandern der entstehenden Blasen und des Wärmeaustauschfluids im Kanal zumindest reduziert oder ganz verhindert. Ein Austausch von Flüssigkeit und Dampf entlang des Kanals ist durch die jeweilige Zusatzstruktur zunehmend weniger bis gar nicht mehr unterstützt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein leistungsgesteigertes Wärmeaustauscherrohr zur Verdampfung von Flüssigkeiten auf der Rohraußenseite weiterzubilden.
Die Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt ein metallisches Wärmeaustauscherrohr ein, mit auf der Rohraußenseite ausgeformten integralen Rippen mit Rippenfuß, Rippenflanken und Rippenspitze, wobei der Rippenfuß radial von der Rohrwandung absteht und zwischen den Rippen ein Kanal mit einem Kanalgrund ausgebildet ist, in dem voneinander beabstandete Zusatzstrukturen angeordnet sind. Die Zusatzstrukturen unterteilen den Kanal zwischen den Rippen in Segmente. Die Zusatzstrukturen reduzieren die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal zwischen zwei Rippen lokal und begrenzen zumindest dadurch im Betrieb einen Fluidfluss im Kanal. Erste Zusatzstrukturen sind vom Kanalgrund ausgehende, radial nach außen gerichtete Auskragungen, die in Radialrichtung jeweils durch eine sich zwischen dem Kanalgrund und der Rippenspitze befindende Abschlussfläche begrenzt sind, wodurch eine radiale Erstreckung, der Auskragungen definiert ist. Am Ort der Auskragungen sind radial nach außen liegend Kavitäten als zweite Zusatzstrukturen angeordnet, die aus Material der Rippenflanken und der radial außen angeordneten Abschlussfläche der Auskragungen ausgebildet sind. Die Kavitäten sind in Radialrichtung jeweils zwischen einer Abschlussfläche und der Rippenspitze angeordnet, so dass die Kavitäten um die radiale Erstreckung der Auskragungen über dem Kanalgrund des Kanals seitlich an der Rippenflanke liegend ausgebildet sind. Die Kavitäten sind in axialer Richtung geöffnet.
Diese metallischen Wärmeaustauscherrohre dienen insbesondere zur Verdampfung von Flüssigkeiten aus Reinstoffen oder Gemischen auf der Rohraußenseite.
Derartig leistungsfähige Rohre können auf der Basis von integral gewalzten Rippenrohren mittels Walzscheiben hergestellt werden. Unter integral gewalzten Rippenrohren werden berippte Rohre verstanden, bei denen die Rippen aus dem Wandmaterial eines Glattrohres geformt wurden. Typische auf der Rohraußenseite ausgeformte integrale Rippen sind beispielsweise spiralig umlaufend und weisen einen Rippenfuß, Rippenflanken und Rippenspitze auf, wobei der Rippenfuß im Wesentlichen radial von der Rohrwandung absteht. Die Anzahl der Rippen wird durch Zählung aufeinanderfolgender Ausbuchtungen in axialer Richtung eines Rohres festgelegt. Die erfindungsgemäßen Strukturen werden durch eine scharfkantige Walzscheibe, welche Material aus der Rippenflanke zur Auskragung vorformt, und eine prozesstechnisch anschließende gezahnte Walzscheibe, welche sowohl Wandmaterial am Kanalgrund als auch das vorgeformte Material an der Rippenflanke zur Kavität umformt, hergestellt. Gleichsam können die erfindungsgemäßen Strukturen alleine durch eine gezahnte Walzscheibe hergestellt werden, welche sowohl Wandmaterial am Kanalgrund als auch Material aus der Rippenflanke zur Kavität umformt.
Es sind hierbei verschiedene Verfahren bekannt, mit denen die zwischen benachbarten Rippen befindlichen Kanäle derart verschlossen werden, dass Verbindungen zwischen Kanal und Umgebung in Form von Poren oder Schlitzen bleiben. Insbesondere werden solche im Wesentlichen geschlossene Kanäle durch Umbiegen oder Umlegen der Rippen, durch Spalten und Stauchen der Rippen oder durch Kerben und Stauchen der Rippen erzeugt.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass zur Erhöhung des Wärmeüberganges bei der Verdampfung der Rippenzwischenraum durch Zusatzstrukturen segmentiert wird. Hierdurch werden lokale Überhitzungen in den Zwischenräumen erzeugt und der Vorgang des Blasensiedens intensiviert. Die Bildung von Blasen findet dann in erster Linie innerhalb der Segmente statt und beginnt an Keimstellen. An diesen Keimstellen bilden sich zunächst kleine Gas- oder Dampfblasen. Wenn die anwachsende Blase eine bestimmte Größe erreicht hat, löst sie sich von der Oberfläche ab. Im Zuge der Blasenablösung wird der verbleibende Hohlraum im Segment wieder mit Flüssigkeit geflutet und der Zyklus beginnt erneut. Die Oberfläche kann dabei derart gestaltet werden, dass beim Ablösen der Blase eine kleine Blase zurück bleibt, die dann als Keimstelle für einen neuen Zyklus der Blasenbildung dient.
Zusätzlich zur Bildung von Blasen innerhalb der Segmente befinden sich gemäß der erfinderischen Lösung im Bereich der ersten Zusatzstrukturen in Form von radial nach außen gerichteten Auskragungen weitere Blasenkeimstellen. Die Blasenkeimstellen sitzen als Kavitäten radial nach außen liegend auf den Auskragungen auf. In den durch eine Kavität gebildeten Hohlräumen werden bevorzugt Blasenkeime gebildet, die einen Beitrag zur Blasenbildung im Segment liefern. Die Auskragungen können sich zwischen dem jeweiligen Rippenfuß benachbarter Rippen in axialer Richtung über den gesamten Kanalgrund oder nur über einen Teil des Kanalgrunds erstrecken. Sie stellen quasi eine zwischen zwei Rippen verlaufende Barriere ausgehend vom Kanalgrund dar, die sich radial nach außen erstreckt und den Kanal in Umfangsrichtung zumindest teilweise verschließt. Die voneinander beabstandeten und im Kanal aufeinanderfolgenden Auskragungen und die radial nach außen liegend ausgebildeten Kavitäten als Zusatzstrukturen können jeweils in der Höhe wie auch in der Form variieren.
Mit anderen Worten, eine auf einer bevorzugt massiven Auskragung der Kanalgrundstruktur aufgesetzte Kavität ist aus Material der Rippenflanke geformt und bilden im Wesentlichen in radialer Richtung jeweils einen fließenden Übergang zu den beiden Seitenflächen der darunter liegenden Auskragung. Die Kavität ist höhlenartig aus Seitenflächen und einer Deckelfläche ausgebildet, die den Abschluss in Richtung Rippenspitze darstellt, sowie aus der radial außen angeordneten Abschlussfläche der Auskragungen und aus dem rückseitig begrenzenden Flächenanteil der Rippenflanke. Bei einer Kavität bilden diese Seitenflächen und Deckelfläche die Begrenzungsflächen, welche sich angenähert in Richtung der Rohrlängsachse erstrecken und beispielsweise in dieser axialen Richtung bis ungefähr zur Kanalmitte hineinreichen. Eine radial außen angeordnete Abschlussfläche der Auskragungen kann sich über die gesamte Kanalbreite erstrecken. Die Kavität besitzt eine Öffnung zum Austritt der Blasenkeime in axialer Richtung. Von dort ausgehend kann ein Blasenkeim in beiden in umlaufender Richtung angrenzenden Segmenten zu einer Blasenbildung beitragen. Am Ort dieser auf einer Auskragung angeordneten Austrittsstelle eines Blasenkeims kann auch flüssiges Fluid zwischen benachbarten Segmenten ausgetauscht werden, solange dort kein aus gasförmigem Fluid gebildeter Blasenkeim dominiert und quasi den Durchtritt verhindert. Anders ausgedrückt: Solange kein Blasenkeim die Verbindungsstelle benachbarter Segmente ausfüllt, kann auch flüssiges Fluid aus einem Segment in ein benachbartes Segment gelangen. Die Auskragungen mit den aufgesetzten Kavitäten stellen folglich eine Schwelle für den Fluiddurchtritt dar.
Hierbei können auch die Seitenflächen einer Kavität länger als die Deckelfläche in axialer Richtung zur Nachbarrippe hin ausgeführt sein. Hierdurch ergibt sich eine zur Rohrlängsachse schräg gestellte Öffnung der Kavität, welche Blasenkeime leichter in die benachbarten Segmente zum Anwachsen der Blasen freigibt. Dabei kann die eine Öffnung der Kavität bildende stirnseitige Konturlinie der Seiten- und Deckelfläche auch geschwungen oder unregelmäßig ausgeführt sein. Auch bei diesen bevorzugten Ausführungsformen bleibt eine Kavität auch bei einer gewissen Schrägstellung im Wesentlichen in axialer Richtung geöffnet.
Bei der vorliegenden Erfindung wird durch diese Art der Segmentierung des Kanals zwischen zwei Rippen dieser in umlaufender Richtung immer wieder unterbrochen und so das Wandern der entstehenden Blasen im Kanal zumindest reduziert oder ganz verhindert. Ein Austausch von Flüssigkeit und Dampf entlang des Kanals ist durch die jeweilige Zusatzstruktur zunehmend weniger bis gar nicht mehr unterstützt.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Austausch von Flüssigkeit und Dampf lokal gezielt gesteuert und die Flutung der Blasenkeimstelle im Segment lokal erfolgt. Insgesamt können durch eine gezielte Wahl der Kanalsegmentierung die Verdampferrohrstrukturen in Abhängigkeit der Einsatzparameter zielführend optimiert werden, wodurch eine Steigerung des Wärmeübergangs erzielt wird. Da im Bereich des Nutengrundes die Temperatur des Rippenfußes höher ist als an der Rippenspitze, sind zudem Strukturelemente zur Intensivierung der Blasenbildung im Nutengrund besonders wirkungsvoll.
Zudem ist es auch von Vorteil, dass die Zusatzstrukturen die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal zwischen zwei Rippen lokal reduzieren. Insgesamt können durch eine zunehmende Abtrennung einzelner Kanalabschnitte bei der Kanalsegmentierung die Verdampferrohrstrukturen in Abhängigkeit der Einsatzparameter weiter zur Steigerung des Wärmeübergangs weiter optimiert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Auskragungen und die Kavitäten die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal zwischen zwei Rippen lokal um mindestens 30% reduzieren. Auf diese Weise werden die Segmente lokal für einen Fluiddurchtritt ausreichend abgegrenzt. Der zwischen zwei Segmenten liegende Kanalabschnitt ist somit gegenüber benachbart liegenden Kanalabschnitten fluidseitig ausreichend bis weitestgehend getrennt.
Vorteilhafterweise können die Auskragungen und die Kavitäten die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal zwischen zwei Rippen lokal um 40 bis 70% reduzieren. Der zwischen zwei Segmenten liegende Kanalabschnitt bildet gegenüber benachbart liegenden Kanalabschnitten fluidseitig eine maßgebliche Schwelle.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann der Kanal radial nach außen bis auf einzelne lokale Öffnungen abgeschlossen sein. Dabei können die Rippen einen im Wesentlichen T-förmigen oder Γ-förmigen Querschnitt aufweisen, wodurch der Kanal zwischen den Rippen bis auf Poren als lokale Öffnungen verschlossen wird. Durch diese Öffnungen können die im Verdampfungsprozess entstehenden Dampfblasen entweichen. Das Verformen der Rippenspitzen geschieht mit Methoden, die dem Stand der Technik zu entnehmen sind.
In diesem Zusammenhang können auch die Rippenspitzen in axialer Richtung umgelegt sein oder sogar zu einem gewissen Maße in Richtung Kanalgrund hin ausgeformt sein. Der Kanal kann folglich auch aus einer Kombination mehrerer sich ergänzender Strukturelemente von unten und der Seite und/oder von oben um das gewünschte Maß verjüngt bis ganz geschlossen werden. Jedenfalls so, dass der Kanal zwischen den Rippen in diskrete Segmente unterteilt wird.
Durch die Kombination der erfindungsgemäßen Segmente mit einem bis auf Poren oder Schlitze verschlossen Kanal erhält man eine Struktur, die über einen sehr weiten Bereich von Betriebsbedingungen eine sehr hohe Leistungsfähigkeit bei Verdampfung von Flüssigkeiten aufweist. Insbesondere erreicht bei Variation der Wärmestromdichte oder der treibenden Temperaturdifferenz der Wärmeübergangskoeffizient der Struktur ein gleichbleibend hohes Niveau.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann zumindest eine lokale Öffnung pro Segment vorhanden sein. Diese Mindestanforderung gewährleistet noch, dass beim Verdampfungsprozess in einem Kanalsegment entstehende Gasblasen nach außen entweichen können. Die lokalen Öffnungen sind in Größe und Gestalt so ausgeführt, dass auch flüssiges Medium hindurchtreten und in den Kanalabschnitt nachströmen kann. Damit der Verdampfungsvorgang bei einer lokalen Öffnung aufrechterhalten werden kann, müssen die gleichen Mengen Flüssigkeit und Dampf folglich in zueinander entgegengesetzten Richtungen durch die Öffnung transportiert werden. Üblicherweise werden Flüssigkeiten verwendet, die den Rohrwerkstoff gut benetzen. Eine derartige Flüssigkeit kann aufgrund des Kapillareffekts durch jede Öffnung in der äußeren Rohroberfläche auch gegen einen Überdruck in die Kanäle eindringen.
Zudem kann der Quotient der Anzahl der lokalen Öffnungen zur Anzahl der Segmente 1:1 bis 6:1 betragen. Weiter bevorzugt kann dieser Quotient 1:1 bis 3:1 betragen. Die zwischen den Rippen befindlichen Kanäle sind durch Material der oberen Rippenbereiche im Wesentlichen verschlossen, wobei die so entstehenden Hohlräume der Kanalsegmente durch Öffnungen mit dem umgebenden Raum verbunden sind. Diese Öffnungen können auch als Poren ausgestaltet sein, welche in gleicher Größe oder auch in zwei oder mehr Größenklassen ausgeführt sein können. Bei einem Verhältnis, bei dem mehrere lokale Öffnungen auf ein Segment ausgebildet sind, können sich besonders Poren mit zwei Größenklassen eignen. Nach einem regelmäßigen, sich wiederholenden Schema folgt entlang der Kanäle beispielsweise auf jede kleine eine große Öffnung. Durch diese Struktur wird eine gerichtete Strömung in den Kanälen erzeugt. Flüssigkeit wird bevorzugt durch die kleinen Poren mit Unterstützung des Kapillardrucks eingezogen und benetzt die Kanalwände, wodurch dünne Filme erzeugt werden. Der Dampf sammelt sich im Zentrum des Kanals an und entweicht an den Stellen mit dem geringsten Kapillardruck. Gleichzeitig müssen die großen Poren so dimensioniert werden, dass der Dampf ausreichend schnell entweichen kann und die Kanäle dabei nicht austrocknen. Die Größe und Häufigkeit der Dampfporen im Verhältnis zu den kleineren Flüssigkeitsporen sind dann aufeinander abzustimmen.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung können die Auskragungen als erste Zusatzstrukturen zumindest aus Material des Kanalgrunds zwischen zwei integral umlaufenden Rippen ausgeformt sein. Hierdurch verbleibt eine stoffschlüssige Verbindung für einen guten Wärmeaustausch von der Rohrwandung in die jeweiligen Strukturelemente erhalten. Zudem kann eine Auskragung auch zusätzlich aus Material der Rippenflanke bestehen. Die Segmentierung des Kanals aus einem einheitlichen Material des Kanalgrunds ist für den Verdampfungsprozess besonders günstig.
In besonders bevorzugter Ausführungsform können die Auskragungen als erste Zusatzstrukturen eine Höhe zwischen 0,15 und 1 mm aufweisen. Diese Bemaßung der Zusatzstrukturen ist auf die Hochleistungsrippenrohre besonders gut abgestimmt und bringen zum Ausdruck, dass die Strukturgrößen der Außenstrukturen bevorzugt im Submillimeter- bis Millimeterbereich liegen.
Vorteilhafterweise können die Auskragungen asymmetrische Formen aufweisen. Die Asymmetrie der Strukturen erscheint hierbei in einer senkrecht zur Rohrlängsachse verlaufenden Schnittebene. Asymmetrische Formen können, insbesondere wenn eine größere Oberfläche ausgebildet wird, einen zusätzlichen Beitrag zum Verdampfungsprozess leisten. Die Asymmetrie kann sowohl bei Zusatzstrukturen am Kanalgrund wie auch an der Rippenspitze ausgeprägt sein.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung können die Auskragungen in einer senkrecht zur Rohrlängsachse verlaufenden Schnittebene einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Trapezförmige Querschnitte sind im Zusammenhang mit integral gewalzten Rippenrohrstrukturen technologisch gut beherrschbare Strukturelemente. Geringfügige fertigungsbedingte Asymmetrien der sonst parallelen Grundseiten eines Trapezes können hierbei auftreten.
Vorteilhafterweise können am Ort der Auskragungen in Richtung der Rohrlängsachse zwei sich gegenüberstehende Kavitäten ausgebildet sein.
Die Öffnungen zum Austritt der Blasenkeime stehen sich in axialer Richtung bei den beiden Kavitäten folglich unmittelbar gegenüber. Von dort ausgehend kann ein Blasenkeim in beiden in umlaufender Richtung angrenzenden Segmenten zu einer Blasenbildung beitragen. Die Auskragungen mit den beiden aufgesetzten Kavitäten stellen folglich die Schwelle für den Fluiddurchtritt dar. Hierbei können sich zur Rohrlängsachse schräg gestellte Öffnungen der Kavitäten als besonders vorteilhaft erweisen, welche Blasenkeime leichter in die benachbarten Segmente zum Anwachsen der Blasen freigeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

Fig. 1: schematisch eine Teilansicht eines Querschnitts eines Wärmeaustauscherrohres mit durch Zusatzstrukturen unterteilten Segmenten,
Fig. 2: schematisch eine Schrägansicht auf einen Teil der Außenstruktur eines Wärmeaustauscherrohres mit umgelegten Rippenspitzen,
Fig. 3: schematisch eine Detailansicht einer Kavität am Ort einer Auskragung, und
Fig. 4: schematisch eine Schrägansicht auf einen Teil der Außenstruktur eines Wärmeaustauscherrohres mit zwei sich gegenüberstehenden Kavitäten am Ort einer Auskragung.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Teilansicht eines Querschnitts eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohres 1 mit durch Zusatzstrukturen 7 unterteilten Segmenten 8. Das integral gewalzte Wärmeaustauscherrohr 1 weist auf der Rohraußenseite schraubenlinienförmig umlaufende Rippen 2 auf, zwischen denen eine Primärnut als Kanal 6 ausgebildet ist. Die Rippen 2 erstrecken sich ohne Unterbrechung kontinuierlich entlang einer Helixlinie auf der Rohraußenseite. Der Rippenfuß 3 steht im Wesentlichen radial von der Rohrwandung 10 ab. Die Rippenhöhe H wird am fertigen Wärmeaustauscherrohr 1 von der tiefsten Stelle des Kanalgrundes 61 ausgehend bis zur Rippenspitze 5 des vollständig geformten Rippenrohres gemessen.
Es wird ein Wärmeaustauscherrohr 1 vorgeschlagen, bei dem im Bereich des Kanalgrundes 61, eine Zusatzstruktur 7 in Gestalt von radial nach außen gerichtete Auskragungen 71 angeordnet ist, die in Radialrichtung jeweils durch eine sich zwischen dem Kanalgrund 61 und der Rippenspitze 5 befindende Abschlussfläche 713 begrenzt sind. Diese Auskragungen 71 sind als erste Zusatzstruktur bezeichnet und aus Material der Rohrwandung 10 aus dem Kanalgrund 61 geformt. Die Auskragungen 71 sind in bevorzugt regelmäßigen Abständen im Kanalgrund 61 angeordnet und erstrecken sich quer zum Kanalverlauf von einem Rippenfuß 3 einer Rippe 2 zumindest teilweise in Richtung oder vollständig zum in der Figurenebene nicht dargestellten darüber liegenden nächsten Rippenfuß. Am Ort einer Auskragungen 71 sind radial nach außen liegend Kavitäten 72 als zweite Zusatzstruktur 7 angeordnet, die aus Material der Rippenflanken 4 und der radial außen angeordneten Abschlussfläche 713 der Auskragungen 71 ausgebildet sind. Die Kavitäten sind in Radialrichtung jeweils zwischen einer Abschlussfläche 713 und der Rippenspitze 5 angeordnet, so dass die Kavitäten 72 um die radiale Erstreckung der Auskragungen 71 über dem Kanalgrund 61 des Kanals 6 seitlich an der Rippenflanke 4 liegend ausgebildet sind. Die Kavitäten 72 sind in axialer Richtung geöffnet. Auf diese Weise wird die Primärnut als Kanal 6 in regelmäßigen Abständen zumindest teilweise verjüngt. Das dadurch entstehende Segment 8 begünstigt eine Blasenkeimbildung in Verbindung mit den Kavitäten 72 in besonderer Weise. Der Austausch von Flüssigkeit und Dampf zwischen den einzelnen Segmenten 8 wird zumindest verringert.
Zusätzlich zur Bildung der Auskragungen 71 am Kanalgrund 61 mit den radial außen liegenden Kavitäten 72 sind zweckmäßigerweise die Rippenspitzen 5 als distaler Bereich der Rippen 2 derart verformt, dass sie den Kanal 6 in Radialrichtung teilweise mit einer axial umgelegten Rippenspitze 51 verschließen. Die Verbindung zwischen dem Kanal 6 und der Umgebung ist in Form von Poren 9 als lokale Öffnungen ausgestaltet, damit Dampfblasen aus dem Kanal 6 entweichen können. Das Verformen der Rippenspitzen 5 geschieht mit walztechnischen Methoden, die dem Stand der Technik zu entnehmen sind. Die Primärnuten 6 stellen auf diese Weise hinterschnittene Nuten dar. Durch die Kombination der Auskragungen 71 und Kavitäten 72 als Zusatzstrukturen 7 erhält man ein Segment 8 in Form eines Hohlraumes, der sich ferner dadurch auszeichnet, dass er über einen sehr weiten Bereich von Betriebsbedingungen eine sehr hohe Leistungsfähigkeit bei Verdampfung von Flüssigkeiten aufweist. Die Flüssigkeit verdampft innerhalb des Segments 8 unterstützt von Kavitäten 72 als zusätzliche Keimbildungsstellen. Der entstehende Dampf tritt an den lokalen Öffnungen 9 aus dem Kanal 6 aus, durch die auch flüssiges Fluid nachströmt. Zum Nachströmen des Fluid können auch gut benetzbare Rohroberflächen eine Hilfe sein.
Die erfindungsgemäße Lösung bezieht sich auf strukturierte Rohre, bei denen der Wärmeübergangskoeffizient auf der Rohraußenseite gesteigert wird. Um nicht den Hauptanteil des Wärmedurchgangswiderstandes auf die Innenseite zu verlagern, kann der Wärmeübergangskoeffizient auf der Innenseite durch eine geeignete Innenstrukturierung 11 zudem intensiviert werden. Die Wärmeaustauscherrohre 1 für Rohrbündelwärmeaustauscher besitzen üblicherweise mindestens einen strukturierten Bereich sowie glatte Endstücke und eventuell glatte Zwischenstücke. Die glatten End- bzw. Zwischenstücke begrenzen die strukturierten Bereiche. Damit das Wärmeaustauscherrohr 1 problemlos in den Rohrbündelwärmeaustauscher eingebaut werden kann, darf der äußere Durchmesser der strukturierten Bereiche nicht größer sein als der äußere Durchmesser der glatten End- und Zwischenstücke.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Schrägansicht auf einen Teil der Außenstruktur eines Wärmeaustauscherrohres 1 mit umgelegten Rippenspitzen 51. Zur besseren Veranschaulichung sind nur die zum Verständnis wichtigsten Strukturelemente der Außenstruktur dargestellt. Zusätzlich zur Bildung der Auskragungen 71 am Kanalgrund 61 mit den radial außen liegenden Kavitäten 72 sind wiederum die Rippenspitzen 5 als distaler Bereich der Rippen 2 derart verformt, dass sie den Kanal 6 in Radialrichtung teilweise mit einer axial umgelegten Rippenspitze 51 verschließen. Die Verbindung zwischen dem Kanal 6 und der Umgebung ist als lokale Öffnungen 9 zum Entweichen von Dampfblasen aus dem Kanal 6 sowie Einströmen von flüssigem Fluid in den Kanal 6 ausgestaltet. Die Primärnuten 6 stellen auf diese Weise wiederum hinterschnittene Nuten dar. Die axial umgelegte Rippenspitze 51 ist aus der Rippe 2 ausgeformt und erstreckt sich so in axialer Richtung über den Kanal 6 hinweg. Der Übergangsbereich von der Rippenflanke 4 zur umgelegten Rippenspitze 51 ist in der Figur durch eine kleine plateauartige Struktur entlang des Rippenverlaufs erkennbar. Mit den Zusatzstrukturen 7 reduziert sich die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal 6 zwischen zwei Rippen 2 lokal besonders effektiv, um dadurch im Betrieb den Fluidfluss im Kanal 6 zu begrenzen.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Detailansicht einer Kavität 72 am Ort einer Auskragung 71. Die radial auf eine bevorzugt massive Auskragung 71 aufgesetzte Kavität 72 ist aus Material der Rippenflanke 4 durch eine gezahnte Walzscheibe hergestellt, welche sowohl Wandmaterial am Kanalgrund 61 als auch Material an der Rippenflanke 4 umformt. Obwohl Auskragungen 71 und Kavitäten 72 damit aus unterschiedlichen Bereichen der Rohrwandung geformt sind, kann eine Kavität 72 im Wesentlichen einen in radialer Richtung fließenden Übergang zu den beiden Seitenflächen 711 der darunter liegenden Auskragung 71 ausbilden.
In diesem Fall verläuft die Auskragung 71 nur in einem Teil des Kanalgrundes 61 und schließt in axialer Rohrrichtung mit einer Stirnfläche 712 ab. Die Kavität 72 ist höhlenartig aus Seitenflächen 721 und einer Deckelfläche 722 sowie aus der radial außen angeordneten Abschlussfläche 713 der Auskragung 71 und aus dem rückseitig begrenzenden Flächenanteil (in der Figur 3 durch eine Seitenfläche 721 verdeckt) der Rippenflanke ausgebildet. Die Seitenflächen 721, Deckelfläche 722 und Abschlussfläche 713 der Auskragung 71 sind die Begrenzungsflächen der Kavität 72, welche sich angenähert in Richtung der Rohrlängsachse A erstrecken und beispielsweise in dieser axialen Richtung bis ungefähr zur Kanalmitte ausgeprägt sind. Hierbei kann sich die Abschlussfläche 713 der Auskragung 71 in Richtung der Rohrlängsachse A weiter oder sogar über die gesamte Kanalbreite zwischen gegenüberliegenden Rippen erstrecken. Die Kavität 72 besitzt eine Öffnung 723 zum Austritt der Blasenkeime im Wesentlichen in axialer Richtung des Rohres. Von dort ausgehend kann ein Blasenkeim in beiden in umlaufender Richtung benachbarten Segmenten 8 zu einer Blasenbildung beitragen. Die Auskragungen 71 mit den aufgesetzten Kavitäten 72 stellen folglich eine Schwelle für den Fluiddurchtritt dar.
Wie ebenfalls aus Fig. 3 ersichtlich, sind die Seitenflächen 721 der Kavität 72 länger als die Deckelfläche 722 in axialer Richtung zur Nachbarrippe hin ausgeführt. Hierdurch ergibt sich eine zur Rohrlängsachse A schräg gestellte Öffnung 723 der Kavität 72, welche Blasenkeime leichter in die benachbarten Segmente 8 zum Anwachsen der Blasen freigibt. Dennoch ist dadurch eine Kavität 72 auch bei einer leichten Schrägstellung der Öffnung 723 im Wesentlichen in axialer Richtung A geöffnet.
Fig. 4 zeigt schematisch eine Schrägansicht auf einen Teil der Außenstruktur eines Wärmeaustauscherrohres 1 mit zwei sich gegenüberstehenden Kavitäten 72 am Ort einer Auskragung 71 und mit umgelegten Rippenspitzen 51. Zur besseren Veranschaulichung sind nur die zum Verständnis wichtigsten Strukturelemente der Außenstruktur dargestellt. Zusätzlich zur Bildung der Auskragungen 71 am Kanalgrund 61 mit den radial außen liegenden Kavitäten 72 sind wiederum die Rippenspitzen 5 als distaler Bereich der Rippen 2 derart verformt, dass sie den Kanal 6 in Radialrichtung teilweise mit einer axial umgelegten Rippenspitze 51 verschließen. Die Verbindung zwischen dem Kanal 6 und der Umgebung ist als lokale Öffnungen 9 zum Entweichen von Dampfblasen aus dem Kanal 6 sowie Einströmen von flüssigem Fluid in den Kanal 6 ausgestaltet. Mit den Auskragungen 71 und Kavitäten 72 als Zusatzstrukturen 7 reduziert sich die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal 6 zwischen zwei Rippen 2 lokal besonders effektiv, um dadurch im Betrieb den Fluidfluss im Kanal 6 zu begrenzen.
Die Auskragungen 71 erstrecken sich in diesem Falle über die gesamte Kanalbreite zwischen benachbarten Rippen 2 in Richtung der Rohrlängsachse A. Radial nach außen liegend sind am Ort der Auskragungen 71 zwei sich gegenüberstehende Kavitäten 72 ausgebildet. Die Öffnungen zum Austritt der Blasenkeime stehen sich in axialer Richtung A bei den beiden Kavitäten 72 folglich unmittelbar gegenüber. Von dort ausgehend kann ein Blasenkeim in beiden in umlaufender Richtung angrenzenden Segmenten zu einer Blasenbildung beitragen. Die Auskragungen 71 mit den beiden aufgesetzten Kavitäten 72 stellen folglich eine Schwelle für den Fluiddurchtritt dar. Hierbei können sich zur Rohrlängsachse A auch etwas schräg gestellte Öffnungen der Kavitäten 72 als besonders vorteilhaft erweisen, welche Blasenkeime leichter in die benachbarten Segmente zum Anwachsen der Blasen freigeben.

Bezugszeichenliste

1: Wärmeaustauscherrohr
2: Rippen
3: Rippenfuß
4: Rippenflanke
5: Rippenspitze, distale Bereiche der Rippen
51: axial umgelegte Rippenspitze
6: Kanal, Primärnut
61: Kanalgrund
7: Zusatzstrukturen
71: Auskragung als erste Zusatzstruktur am Kanalgrund
711: Seitenflächen der Auskragung
712: Stirnfläche der Auskragung
713: Abschlussfläche der Auskragung
72: Kavität als zweite Zusatzstruktur
721: Seitenflächen der Kavität
722: Deckelfläche der Kavität
723: Öffnung der Kavität
8: Segment
9: lokale Öffnung, Poren
10: Rohrwandung
11: Innenstruktur
A: Rohrlängsachse
H: Rippenhöhe

Claims

Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1), mit auf der Rohraußenseite ausgeformten integralen Rippen (2) mit Rippenfuß (3), Rippenflanken (4) und Rippenspitze (5), wobei der Rippenfuß (3) radial von der Rohrwandung (10) absteht und zwischen den Rippen (2) ein Kanal (6) mit einem Kanalgrund (61) ausgebildet ist, in dem voneinander beabstandete Zusatzstrukturen (7, 71, 72) angeordnet sind,
- welche den Kanal (6) zwischen den Rippen (2) in Segmente (8) unterteilen,

- welche die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal (6) zwischen zwei Rippen (2) lokal reduzieren und dadurch im Betrieb einen Fluidfluss im Kanal (6) zumindest begrenzen, und

- wobei erste Zusatzstrukturen (7, 71) vom Kanalgrund (61) ausgehende, radial nach außen gerichtete Auskragungen (71) sind, die in Radialrichtung jeweils durch eine sich zwischen dem Kanalgrund (61) und der Rippenspitze (5) befindende Abschlussfläche (713) begrenzt sind, wodurch eine radiale Erstreckung der Auskragungen (71) definiert ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass am Ort der Auskragungen (71) radial nach außen liegend Kavitäten (72) als zweite Zusatzstrukturen (7, 72) angeordnet sind, die aus Material der Rippenflanken (4) und der radial außen angeordneten Abschlussfläche (713) der Auskragungen (71) ausgebildet sind,

- dass die Kavitäten (72) in Radialrichtung jeweils zwischen einer Abschlussfläche (713) und der Rippenspitze (5) angeordnet sind, so dass die Kavitäten (72) um die radiale Erstreckung der Auskragungen (71) über dem Kanalgrund (61) des Kanals (6) seitlich an der Rippenflanke (4) liegend ausgebildet sind, und

- dass die Kavitäten (72) in axialer Richtung geöffnet sind.
Wärmeaustauscherrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) und die Kavitäten (72) die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal (6) zwischen zwei Rippen (2) lokal um mindestens 30% reduzieren.
Wärmeaustauscherrohr (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) und die Kavitäten (72) die durchströmbare Querschnittsfläche im Kanal (6) zwischen zwei Rippen (2) lokal um 40 bis 70% reduzieren.
Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (6) radial nach außen bis auf einzelne lokale Öffnungen (9) abgeschlossen ist.
Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine lokale Öffnung (9) pro Segment (8) vorhanden ist.
Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) zumindest aus Material des Kanalgrunds (61) zwischen zwei integral umlaufenden Rippen (2) ausgeformt sind.
Wärmeaustauscherrohr (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) eine Höhe zwischen 0,15 und 1 mm aufweisen.
Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) asymmetrische Formen aufweisen.
Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auskragungen (71) in einer senkrecht zur Rohrlängsachse (A) verlaufenden Schnittebene einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
Wärmeaustauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Ort der Auskragungen (71) in Richtung der Rohrlängsachse (A) zwei sich gegenüberstehende Kavitäten (72) ausgebildet sind.