DE102011121436A1

DE102011121436A1 - Verflüssigerrohre mit zusätzlicher Flankenstruktur

Info

Publication number: DE102011121436A1
Application number: DE102011121436A
Authority: DE
Inventors: Achim Gotterbarm; Dr. Hajal Jean El; Andreas Beutler
Original assignee: Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-20
Also published as: TWI586933B; PT2791609T; JP2015500455A; MX364717B; US10974309B2; US20190033010A1; EP2791609B1; WO2013087140A1; JP5961279B2; MX2014005862A; US10094625B2; TW201333409A; US20140284036A1; EP2791609A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustauscherrohr mit einer Rohrachse, einer Rohrwand und mit auf der Rohraußenseite umlaufenden Rippen. Die Rippen haben einen Rippenfuß, Rippenflanken und eine Rippenspitze, wobei der Rippenfuß im Wesentlichen radial von der Rohrwand absteht. Die Rippenflanken sind mit zusätzlichen Strukturelementen versehen, die seitlich an der Rippenflanke angeordnet sind. Erste Werkstoffvorsprünge, die sich im Wesentlichen in Axial- und Radialrichtung erstrecken, grenzen an zweite Werkstoffvorsprünge, die sich im Wesentlichen in Axial- und Umfangsrichtung des Rohres erstrecken, wobei die ersten und zweiten Werkstoffvorsprünge eine gemeinsame Begrenzungslinie aufweisen. Erfindungsgemäß ist die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge entlang dieser Begrenzungslinie kleiner ist als die axiale Erstreckung der zweiten Werkstoffvorsprünge. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist, dass die ersten Werkstoffvorsprünge an jeweils einem Punkt an zweite Werkstoffvorsprünge grenzen und dass die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge an diesem Punkt gleich Null ist. Ferner ist ein weiterer Aspekt der Erfindung, dass die ersten Werkstoffvorsprünge von den zweiten Werkstoffvorsprüngen beabstandet angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein metallisches Wärmeaustauscherrohr, insbesondere zur Verflüssigung bzw. Kondensation von Dämpfen auf der Rohraußenseite, nach dem jeweiligen Oberbegriff der Ansprüche 1, 7 und 9.
Wärmeübertragung tritt in vielen technischen Prozessen auf, beispielsweise in der Kälte- und Klimatechnik oder in der Chemie- und Energietechnik. In Wärmeaustauschern wird Wärme von einem Medium auf ein anderes Medium übertragen. Die Medien sind üblicherweise durch eine Wand getrennt. Diese Wand dient als Wärmeübertragungsfläche und zur Trennung der Medien.
Um den Wärmetransport zwischen den beiden Medien zu ermöglichen, muss die Temperatur des Wärme abgebenden Mediums höher sein als die Temperatur des Wärme aufnehmenden Mediums. Diesen Temperaturunterschied bezeichnet man als treibende Temperaturdifferenz. Je höher die treibende Temperaturdifferenz ist, desto mehr Wärme kann pro Einheit der Wärmeübertragungsfläche übertragen werden. Andererseits ist man oft bestrebt, die treibende Temperaturdifferenz klein zu halten, da dies Vorteile für die Effizienz des Prozesses hat.
Es ist bekannt, dass durch die Strukturierung der Wärmeübertragungsfläche die Wärmeübertragung verbessert werden kann. Damit kann erreicht werden, dass pro Einheit der Wärmeübertragungsfläche mehr Wärme übertragen werden kann als bei einer glatten Oberfläche. Ferner ist es möglich, die treibende Temperaturdifferenz zu reduzieren und damit den Prozess effizienter zu gestalten.
Eine oft verwendete Ausführungsform von Wärmetauschern sind Rohrbündelwärmetauscher. In diesen Apparaten werden häufig Rohre eingesetzt, die sowohl auf ihrer Innenseite als auch auf ihrer Außenseite strukturiert sind. Strukturierte Wärmeaustauscherrohre 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 Rohr 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.
Zur Erhöhung des Wärmeübergangs bei der Kondensation auf der Rohraußenseite sind verschiedene Maßnahmen bekannt. Häufig werden Rippen auf der Außenoberfläche des Rohres aufgebracht. Dadurch wird primär die Oberfläche des Rohres vergrößert und folglich die Kondensation intensiviert. Für die Wärmeübertragung ist es besonders vorteilhaft, wenn die Rippen aus dem Wandmaterial des Glattrohres geformt werden, da dann ein optimaler Kontakt zwischen Rippe und Rohrwand existiert. Berippte Rohre, bei denen die Rippen mittels eines Umformprozesses aus dem Wandmaterial eines Glattrohres gebildet wurden, werden als integral gewalzte Rippenrohre bezeichnet.
Heute haben kommerziell erhältliche Rippenrohre für Verflüssiger auf der Rohraußenseite eine Rippenstruktur mit einer Rippendichte von 30 bis 45 Rippen pro Zoll. Dies entspricht einer Rippenteilung von ca. 0,85 bis 0,55 mm. Der weiteren Leistungssteigerung durch Erhöhung der Rippendichte sind durch den in Rohrbündelwärmeaustauschern auftretenden Inundationseffekt Grenzen gesetzt: Mit kleiner werdendem Abstand der Rippen wird durch die Kapillarwirkung der Zwischenraum der Rippen mit Kondensat geflutet und das Abfließen des Kondensats durch die kleiner werdenden Kanäle zwischen den Rippen behindert.
Es ist Stand der Technik, durch Einbringen von Kerben in die Rippenspitzen die Oberfläche des Rohres weiter zu vergrößern. Ferner entstehen durch die Kerben zusätzliche Strukturen, die den Kondensationsprozess positiv beeinflussen. Beispiele für Kerben der Rippenspitzen sind aus den Druckschriften US 3,326,283 und US 4,660,630 bekannt.
Des Weiteren ist bekannt, dass bei Verflüssigerrohren Leistungssteigerungen erzielt werden können, indem man bei gleichbleibender Rippendichte zusätzliche Strukturelemente im Bereich der Rippenflanken zwischen den Rippen einbringt. Solche Strukturen können durch zahnradartige Werkzeuge an den Rippenflanken geformt werden. Die dabei entstehenden Werkstoffvorsprünge ragen in den Zwischenraum benachbarter Rippen hinein. Ausführungsformen solcher Strukturen finden sich in den Druckschriften DE 4404357 C2 , CN 101004335 A , US 2007/0131396 A1 und US 2008/0196876 A1 . Die in diesen Druckschriften beschriebenen Werkstoffvorsprünge erstrecken sich in Axial- und in Umfangsrichtung des Rohres. in US 2010/0288480 A1 wird vorgeschlagen, die Werkstoffvorsprünge so zu formen, dass sie durch eine oder mehrere konvex gekrümmte Flächen begrenzt sind. In den Druckschriften CN 101004337 A und US 2009/0260792 A1 werden zusätzliche Werkstoffvorsprünge an der Rippenflanke gezeigt, die sich im Wesentlichen in Axial- und Radialrichtung erstrecken. Diese Werkstoffvorsprünge sind an den Rändern der Werkstoffvorsprünge in Umfangsrichtung angeordnet und ungefähr senkrecht zu diesen ausgebildet. Folglich hat jeder sich in Radialrichtung erstreckende Werkstoffvorsprung eine gemeinsame Grenzlinie mit einem sich in Umfangsrichtung erstreckenden Werkstoffvorsprung. Entlang dieser Grenzlinie ist die axiale Erstreckung beider Werkstoffvorsprünge gleich. Dadurch entstehen an der Rippenflanke taschenartige Strukturen, die durch jeweils drei Werkstoffvorsprünge und die Rippenflanke begrenzt werden. In diesen taschenartigen Strukturen sammelt sich aufgrund von Kapillarkräften das Kondensat vorzugsweise an. Dadurch wird die weitere Kondensation von Dampf behindert und die Leistungsfähigkeit des Rohres reduziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegenüber dem Stand der Technik leistungsgesteigertes Wärmeaustauscherrohr zur Kondensation von Dämpfen auf der Rohraußenseite bei gleichem rohrseitigen Wärmeübergang und Druckabfall sowie gleichen Herstellungskosten herzustellen.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 7 und 9 wiedergegeben. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt ein Wärmeaustauscherrohr mit einer Rohrachse, einer Rohrwand und mit auf der Rohraußenseite umlaufenden Rippen ein. Die Rippen haben einen Rippenfuß, Rippenflanken und eine Rippenspitze, wobei der Rippenfuß im Wesentlichen radial von der Rohrwand absteht. Die Rippenflanken sind mit zusätzlichen Strukturelementen versehen, die seitlich an der Rippenflanke angeordnet sind. Erste Werkstoffvorsprünge, die sich im Wesentlichen in Axial- und Radialrichtung erstrecken, grenzen an zweite Werkstoffvorsprünge, die sich im Wesentlichen in Axial- und Umfangsrichtung des Rohres erstrecken, wobei die ersten und zweiten Werkstoffvorsprünge eine gemeinsame Begrenzungslinie aufweisen. Erfindungsgemäß ist die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge entlang dieser Begrenzungslinie kleiner ist als die axiale Erstreckung der zweiten Werkstoffvorsprünge.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich folglich auf strukturierte Rohre zur Verwendung in Wärmeaustauschern, bei denen das Wärme abgebende Medium verflüssigt wird bzw. kondensiert. Als Verflüssiger werden häufig Rohrbündelwärmeaustauscher verwendet, in denen Dämpfe von Reinstoffen oder Mischungen auf der Rohraußenseite kondensieren und dabei eine auf der Rohrinnenseite strömende Flüssigkeit erwärmen.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei Verflüssigerrohren Leistungssteigerungen erzielt werden können, indem man seitlich an den Rippenflanken zusätzliche Strukturelemente in Form von Werkstoffvorsprüngen bildet. Diese Werkstoffvorsprünge werden aus Material der oberen Rippenflanke geformt, indem mittels eines zahnradartigen Werkzeugs Material der Rippe ähnlich einem Span abgehoben und verlagert, jedoch nicht von der Rippenflanke getrennt wird. Die Werkstoffvorsprünge bleiben fest mit der Rippe verbunden. Die Werkstoffvorsprünge erstrecken sich in Axialrichtung von der Rippenflanke in den Zwischenraum zwischen zwei Rippen. Durch die Werkstoffvorsprünge wird die Oberfläche des Rohres vergrößert. Ferner stellen die von der Rippenflanke abgewandten Ränder der Werkstoffvorsprünge konvexe Kanten dar, an denen der Kondensationsprozess bevorzugt stattfindet.
Die Zähne des zahnradartigen Werkzeugs haben in ihrem Arbeitsbereich eine vorzugsweise symmetrische Trapezform. Die Innenwinkel an der Schneide der Zähne sind etwas größer als 90°, vorzugsweise zwischen 95° und 110°. Aufgrund der Trapezform der Zähne erfolgt die Materialverlagerung durch das zahnradartige Werkzeug sowohl in Radialrichtung als auch in Umfangsrichtung des Rohres. Deshalb werden in einem Arbeitsschritt erste laterale Werkstoffvorsprünge, die sich im Wesentlichen in Axial- und Radialrichtung erstrecken, und zweite laterale Werkstoffvorsprünge, die sich im Wesentlichen in Axial- und Umfangsrichtung des Rohres erstrecken, ausbildet. Im Wesentlichen meint hier, dass geringe Auslenkungen aus der Axial- bzw. Radial- bzw. Umfangsrichtung mit eingeschlossen sind. Insbesondere können aufgrund der Geometrie des zahnradartigen Werkzeugs die ersten lateralen Werkstoffvorsprünge um bis zu 20° von der Radialrichtung abweichend verlaufen. Ferner können insbesondere die zweiten Werkstoffvorsprünge eine gekrümmte Form haben. Die zweiten Werkstoffvorsprünge sind bevorzugt ungefähr auf halber Rippenhöhe angeordnet. Die Höhe der Rippen wird von der Rohrwand bis zur Rippenspitze gemessen und beträgt vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1,5 mm.
Erste Werkstoffvorsprünge grenzen an zweite Werkstoffvorsprünge, wobei an der Grenzlinie ein Winkel von etwas größer als 90° eingeschlossen ist. Entsprechend der radialen Erstreckung der ersten und zweiten Werkstoffvorsprünge entstehen taschenartige Strukturen an der Rippenflanke, die durch die ersten und zweiten lateralen Werkstoffvorsprünge begrenzt sind. Da sich in diesen taschenartigen Strukturen aufgrund von Kapillarkräften das Kondensat vorzugsweise ansammelt, müssen die ersten und zweiten lateralen Werkstoffvorsprünge so gestaltet sein, dass die Kapillarkräfte reduziert werden. Große Kapillarkräfte, die das Kondensat zurückhalten, treten an konkav geformten Strukturen auf. Konkave Kanten werden dort gebildet, wo die ersten lateralen Werkstoffvorsprünge an die zweiten lateralen Werkstoffvorsprünge grenzen.
Erfindungsgemäß ist die Materialverlagerung durch das zahnradartige Werkzeug in Radialrichtung stärker ausgeprägt als in Umfangsrichtung des Rohres. Der besondere Vorteil besteht darin, dass dann die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge entlang der Grenzlinie kleiner als die axiale Erstreckung der zweiten Werkstoffvorsprünge ist. Somit werden nur kleine taschenartige Strukturen gebildet. Folglich kann nur eine sehr geringe Menge an Kondensat in den taschenartigen Strukturen zwischen den Werkstoffvorsprüngen zurückgehalten werden. Insbesondere sind die gebildeten taschenartigen Strukturen weniger stark ausgeprägt als die in den Druckschriften CN 101004337 A und US 2009/0260792 A1 dargestellten Strukturen. Deshalb steht bei erfindungsgemäß gestalteten ersten und zweiten Werkstoffvorsprüngen mehr freie Oberfläche für die Kondensation zur Verfügung und das Kondensat kann schneller aus den Kanälen zwischen den Rippen ablaufen. Bei einem erfindungsgemäß gestalteten Wärmeaustauscherrohr wird also der Wärmeübergang bei der Kondensation gesteigert und die Leistungsfähigkeit des Rohres verbessert.
Es ist ferner vorteilhaft, wenn die ersten Werkstoffvorsprünge an der Rippenspitze beginnen und sich bis zu den zweiten Werkstoffvorsprüngen hin erstrecken. Aufgrund des Herstellungsprozesses können sich die ersten Werkstoffvorsprünge in Radialrichtung nicht weiter erstrecken als bis zu den zweiten Werkstoffvorsprüngen. Deshalb ist die radiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge maximal, wenn diese an der Rippenspitze beginnen. Die Oberfläche des Rohres und die Länge der konvexen Kanten werden dann stark vergrößert, aber nur kleine taschenartige Strukturen gebildet.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform liegt vor, wenn die maximale axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge im Bereich der Rippenspitze ist. Dadurch wird einerseits die Oberfläche des Rohres durch die ersten Werkstoffvorsprünge deutlich vergrößert, andererseits werden nur kleine taschenartige Strukturen gebildet, die nur wenig Kondensat zurückhalten können.
Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge von der Rippenspitze zu den zweiten Werkstoffvorsprüngen hin kleiner wird. Die Werkstoffvorsprünge verjüngen sich also in Richtung zur Rohrachse hin. Dadurch wird einerseits die Oberfläche des Rohres durch die ersten Werkstoffvorsprünge deutlich vergrößert; andererseits werden die Kapillarkäfte günstig beeinflusst, so dass in den taschenartigen Strukturen nur wenig Kondensat zurückgehalten werden kann.
Demgegenüber ist es auch möglich, dass die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge ein weiteres lokales Maximum zwischen der Rippenspitze und den zweiten Werkstoffvorsprüngen aufweist. Bei einer derartigen Ausgestaltung der ersten Werkstoffvorsprünge werden eine große Oberfläche und eine große Länge der konvexen Kante erzielt; die taschenartigen Strukturen im Bereich der zweiten Werkstoffvorsprünge dehnen sich aber nur über einen kleinen Bereich aus.
Vorzugsweise ist die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge entlang der Begrenzungslinie höchstens halb so groß wie die axiale Erstreckung der zweiten Werkstoffvorsprünge. Dadurch wird erreicht, dass die taschenartigen Strukturen an der Rippenflanke lediglich eine geringe Ausprägung haben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt ein Wärmeaustauscherrohr ein, bei dem sich die ersten Werkstoffvorsprünge in Richtung Rohrachse derart verjüngen, dass sie nur noch an einem Punkt an die zweiten Werkstoffvorsprünge grenzen. Die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge ist an diesem Grenzpunkt gleich Null. Dadurch wird die Größe der taschenartigen Strukturen weiter reduziert. Diese können dann noch weniger Kondensat ansammeln.
Zudem können sich vorteilhafterweise die ersten Werkstoffvorsprünge von der Rippenspitze zu den zweiten Werkstoffvorsprüngen hin erstrecken. Die erzielbare Oberflächenvergrößerung ist besonders dann maximiert, wenn die ersten Werkstoffvorsprünge an der Rippenspitze beginnen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt ein Wärmeaustauscherrohr ein, bei dem die ersten Werkstoffvorsprünge von den zweiten Werkstoffvorsprüngen beabstandet angeordnet sind. Dies kann realisiert werden, indem die radiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge von der Rippenspitze nicht bis an die zweiten Werkstoffvorsprünge heranreicht. Die ersten Werkstoffvorsprünge berühren dann an keinem Punkt die zweiten Werkstoffvorsprünge. Die Kapillarkräfte, die das Kondensat in den taschenartigen Strukturen halten, sind in diesem Fall minimal.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung können sich die ersten Werkstoffvorsprünge von der Rippenspitze in Radialrichtung erstrecken und die radiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge geringer sein als der radiale Abstand der zweiten Werkstoffvorsprünge von der Rippenspitze. Wiederum ist die erzielbare Oberflächenvergrößerung besonders dann maximiert, wenn die ersten Werkstoffvorsprünge an der Rippenspitze beginnen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 eine perspektivische Teilansicht eines Rippenabschnitts eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohrs mit Werkstoffvorsprüngen
2 einen Schnitt durch die Rippe eines Wärmetauscherrohrs mit erfindungsgemäßer Ausführungsform der Werkstoffvorsprünge
3 einen Schnitt durch die Rippe eines Wärmetauscherrohrs mit einer bevorzugten Ausführungsform der Werkstoffvorsprünge
4 einen Schnitt durch die Rippe eines Wärmetauscherrohrs mit einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Werkstoffvorsprünge
5 einen Schnitt durch die Rippe eines Wärmetauscherrohrs mit einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Werkstoffvorsprünge
6 einen Schnitt durch die Rippe eines Wärmetauscherrohrs mit sich lediglich an einem Punkt berührenden ersten und zweiten Werkstoffvorsprüngen
7 einen Schnitt durch die Rippe eines Wärmetauscherrohrs mit von einander beanstandeten ersten und zweiten Werkstoffvorsprüngen
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines Rippenabschnitts eines Wärmeaustauscherrohrs 1 mit erfindungsgemäßen Werkstoffvorsprüngen 41 und 42. Von der Rohraußenseite 21 ist nur ein Teil einer der umlaufenden, integral ausgeformten Rippen 3 abgebildet. Die Rippen 3 haben einen Rippenfuß 31, der an der Rohrwand 2 ansetzt, Rippenflanken 32 und eine Rippenspitze 33. Die Rippen 3 stehen radial von der Rohrwand 2 ab. Die Rippenflanken 32 sind mit zusätzlichen Strukturelementen versehen, die als Werkstoffvorsprünge 41 und 42 ausgebildet sind. Die gebildeten Werkstoffvorsprünge lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: Erste Werkstoffvorsprünge 41 erstrecken sich im Wesentlichen in Axial- und Radialrichtung des Rohres 1. Zweite Werkstoffvorsprünge 42 erstrecken sich im Wesentlichen in Axial- und Umfangsrichtung des Rohres. In 1 sind fünf erste Werkstoffvorsprünge 41 und drei zweite Werkstoffvorsprünge 42 dargestellt. Erste Werkstoffvorsprünge 41 grenzen an zweite Werkstoffvorsprünge 42, wobei an der Grenzlinie 43 ein Winkel größer 90° eingeschlossen ist. Durch die Werkstoffvorsprunge 41 und 42 wird die Oberfläche des Rohres 1 vergrößert. Ferner stellen die von der Rippenflanke abgewandten Ränder der Werkstoffvorsprünge 41 und 42 konvexe Kanten 52 dar, an denen der Kondensationsprozess bevorzugt stattfindet.
Wie in 1 bis 5 dargestellt ist, ist die axiale Erstreckung x₁ der ersten Werkstoffvorsprünge 41 entlang der Grenzlinie 43 erfindungsgemäß kleiner als die axiale Erstreckung x₂ der zweiten Werkstoffvorsprünge 42. Dadurch entstehen an der Rippenflanke 32 lediglich gering ausgeprägte, taschenartige Strukturen 51. Folglich kann sich bei einem erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr 1 kaum Kondensat in den taschenartigen Strukturen 51 sammeln, sondern das Kondensat fließt schnell ab. Es wird wenig Oberfläche des Rohres 1 mit einem Kondensatfilm bedeckt, der einen erheblichen Wärmewiderstand darstellt. Dies begünstigt den Kondensationsprozess und die Leistungsfähigkeit des Rohres wird erhöht.
2 zeigt im Querschnitt eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohrs 1, bei der die ersten Werkstoffvorsprünge 41 nahe an der Rippenspitze 33 beginnen und sich in Radialrichtung des Rohres 1 bis zu den zweiten Werkstoffvorsprüngen 42 hin erstrecken. Aufgrund des Herstellungsprozesses können sich die ersten Werkstoffvorsprünge 41 in Radialrichtung nicht weiter erstrecken als bis zu den zweiten Werkstoffvorsprüngen 42. Deshalb ist die radiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge 41 maximal, wenn diese an der Rippenspitze 33 beginnen. Die Oberfläche des Rohres 1 und die Länge der konvexen Kanten 52 werden dann stark vergrößert. Wie in 2 dargestellt, sind die zweiten Werkstoffvorsprünge 42 vorzugsweise ungefähr auf halber Höhe der Rippen 3 angebracht. Die radiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge 41 ist in dem in 2 dargestellten Fall also ungefähr gleich der halben Rippenhöhe.
3 zeigt im Querschnitt eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohrs 1. Die maximale axiale Erstreckung x_m der ersten Werkstoffvorsprünge 41 befindet sich im Bereich der Rippenspitze 33. Ferner wird die axiale Erstreckung x₁ der ersten Werkstoffvorsprünge 41 von der Rippenspitze 33 zu den zweiten Werkstoffvorsprüngen 42 hin kleiner. Die ersten Werkstoffvorsprünge 41 verjüngen sich also in Richtung Rohrachse. Somit wird einerseits die Oberfläche des Rohres 1 durch die ersten Werkstoffvorsprünge 41 noch weiter vergrößert als in dem in 2 dargestellten Fall, andererseits werden nur kleine taschenartige Strukturen 51 gebildet, die nur wenig Kondensat zurückhalten können.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohrs 1 haben die ersten Werkstoffvorsprünge 41 die Form eines Ohrs. Sie sind in ihrer Wirkungsweise vergleichbar mit den ersten Werkstoffvorsprüngen 41 der in 3 dargestellten Ausführungsform. Die maximale axiale Erstreckung x_m der ersten Werkstoffvorsprünge 41 befindet sich geringfügig weiter von der Rippenspitze 33 entfernt als bei der in 3 dargestellten Ausführungsform.
5 zeigt im Querschnitt eine weiter vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohrs 1. Die axiale Erstreckung x₁ der ersten Werkstoffvorsprünge 41 weist ein weiteres lokales Maximum zwischen der Rippenspitze 33 und den zweiten Werkstoffvorsprüngen 42 auf. Der Konturverlauf der ersten Werkstoffvorsprünge 41 ist aber dennoch so gewählt, dass sich die ersten Werkstoffvorsprünge 41 von der Rippenspitze 33 zur den zweiten Werkstoffvorsprüngen 42 hin tendenziell verjüngt. Bei dieser vorteilhaften Gestaltung werden eine große Oberfläche und insbesondere eine große Länge der konvexen Kante 52 erzielt. Die taschenartigen Strukturen 51 im Bereich der zweiten Werkstoffvorsprünge 42 dehnen sich aber nur über einen kleinen Bereich aus.
Wie in 1 bis 5 dargestellt, ist die axiale Erstreckung x₁ der ersten Werkstoffvorsprünge 41 entlang der Begrenzungslinie 43 höchstens halb so groß wie die axiale Erstreckung x₂ der zweiten Werkstoffvorsprünge 42. Dadurch wird erreicht, dass die taschenartige Strukturen 51 an der Rippenflanke 32 lediglich eine geringe Ausprägung haben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt ein Wärmeaustauscherrohr 1 ein, bei dem sich die ersten Werkstoffvorsprünge 41 in Richtung Rohrachse derart verjüngen, dass sie nur noch an einem Punkt 44 an die zweiten Werkstoffvorsprünge 42 grenzen, wie in 6 dargestellt ist. Dieser Aspekt der Erfindung stellt sozusagen den Grenzfall dar, dass die in 1–5 dargestellte Grenzlinie 43 zwischen ersten 41 und zweiten 42 Werkstoffvorsprüngen auf einen Punkt 44 reduziert ist. Die axiale Erstreckung x₁ der ersten Werkstoffvorsprünge 41 ist an diesem Grenzpunkt 44 gleich Null. Dadurch wird die Größe der taschenartigen Strukturen 51 weiter reduziert. Diese können dann noch weniger Kondensat ansammeln. Andererseits ist die in diesem Fall erzielbare Oberflächenvergrößerung geringer als bei den in den 1–5 dargestellten Fällen. Deshalb ist es vorteilhaft, dass die ersten Werkstoffvorsprünge 41 bei dem in 6 dargestellten Fall an der Rippenspitze 33 beginnen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung schließt ein Wärmeaustauscherrohr 1 ein, bei dem die ersten Werkstoffvorsprünge 41 von den zweiten Werkstoffvorsprüngen 42 beabstandet angeordnet sind. Eine vorteilhafte Ausführungsform eines derartigen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscherrohrs 1 ist in 7 im Querschnitt dargestellt. Die radiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge 41 reicht von der Rippenspitze 33 nicht bis an die zweiten Werkstoffvorsprünge 42 heran. Die ersten Werkstoffvorsprünge 41 berühren an keinem Punkt die zweiten Werkstoffvorsprünge 42. Die Kapillarkräfte, die das Kondensat in den taschenartigen Strukturen 51 halten, sind in diesem Fall minimal. Andererseits kann in diesem Fall nur eine geringere Oberflächenvergrößerung erzielt werden als in den in den 1–6 dargestellten Fällen. Deshalb ist es insbesondere vorteilhaft, dass die ersten Werkstoffvorsprünge 41 bei dem in 7 dargestellten Fall an der Rippenspitze 33 beginnen.
Der Eintauchvorgang des zur Formung der erfindungsgemäßen Werkstoffvorsprünge 41 und 42 verwendeten, zahnradartigen Werkzeugs bewirkt eine in Umfangsrichtung asymmetrische Verdrängung des Materials der Rippenflanke 32. Deshalb können zwei in Umfangsrichtung benachbarte, erste Werkstoffvorsprünge 41 unterschiedliche Formen haben.
Darüber hinaus umfasst die erfindungsgemäße Lösung auch, dass die vorstehend beschriebene Strukturierung der Rippenflanken nicht nur für die Kondensation von Dämpfen vorteilhaft ist, sondern auch bei anderen Wärmeübertragungsprozessen eine leistungssteigernde Wirkung haben kann. Insbesondere kann bei Verdampfung von Flüssigkeiten der Verdampfungsprozess durch die erfindungsgemäßen Strukturen intensiviert werden.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauscherrohr
2: Rohrwand
21: Rohraußenseite
3: Rippe auf der Rohraußenseite
31: Rippenfuß
32: Rippenflanke
33: Rippenspitze
41: erster Werkstoffvorsprung
42: zweiter Werkstoffvorsprung
43: Grenzlinie
44: Grenzpunkt
51: taschenartige Struktur
52: konvexe Kante
x₁: axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge
x₂: axiale Erstreckung der zweiten Werkstoffvorsprünge
x_m: maximale axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 3326283 [0008]
US 4660630 [0008]
DE 4404357 C2 [0009]
CN 101004335 A [0009]
US 2007/0131396 A1 [0009]
US 2008/0196876 A1 [0009]
US 2010/0288480 A1 [0009]
CN 101004337 A [0009, 0017]
US 2009/0260792 A1 [0009, 0017]

Claims

Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1) mit einer Rohrwand (2) und mit auf der Rohraußenseite (21) umlaufenden Rippen (3), welche einen Rippenfuß (31), Rippenflanken (32) und eine Rippenspitze (33) haben, wobei der Rippenfuß (31)im Wesentlichen radial von der Rohrwand (2) absteht, und die Rippenflanken (32) mit zusätzlichen Strukturelementen versehen sind, die seitlich an der Rippenflanke (32) angeordnet sind, wobei erste Werkstoffvorsprünge (41), die sich im Wesentlichen in Axial- und Radialrichtung erstrecken, an zweite Werkstoffvorsprünge (42) angrenzen, die sich im Wesentlichen in Axial- und Umfangsrichtung des Rohres (1) erstrecken, wobei die ersten und zweiten Werkstoffvorsprünge (41, 42) eine gemeinsame Begrenzungslinie (43) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge (41) entlang der Begrenzungslinie (43) kleiner ist als die axiale Erstreckung der zweiten Werkstoffvorsprünge (42).
Metallisches Wärmetauscherrohr (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten Werkstoffvorsprünge (41) von der Rippenspitze (33) zu den zweiten Werkstoffvorsprüngen (42) hin erstrecken.
Metallisches Wärmetauscherrohr (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge (41) im Bereich der Rippenspitze (33) ist.
Metallisches Wärmetauscherrohr (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge (41) von der Rippenspitze (33) zu den zweiten Werkstoffvorsprüngen (42) hin kleiner wird.
Metallisches Wärmetauscherrohr (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge (41) mindestens ein weiteres lokales Maximum zwischen der Rippenspitze (33) und den zweiten Werkstoffvorsprüngen (42) aufweist.
Metallisches Wärmetauscherrohr (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge (41) entlang der Begrenzungslinie (43) höchstens halb so groß ist wie die axiale Erstreckung der zweiten Werkstoffvorsprünge (42).
Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1) mit einer Rohrwand (2) und mit auf der Rohraußenseite (21) umlaufenden Rippen (3), welche einen Rippenfuß (31), Rippenflanken (32) und eine Rippenspitze (33) haben, wobei der Rippenfuß (31) im Wesentlichen radial von der Rohrwand (2) absteht, und die Rippenflanken (32) mit zusätzlichen Strukturelementen versehen sind, die seitlich an der Rippenflanke (32) angeordnet sind, wobei erste Werkstoffvorsprünge (41), die sich im Wesentlichen in Axial- und Radialrichtung erstrecken, und zweite Werkstoffvorsprünge (42), die sich im Wesentlichen in Axial- und Umfangsrichtung des Rohres (1) erstrecken, gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Werkstoffvorsprünge (41) an jeweils einem Punkt (44) an zweite Werkstoffvorsprünge (42) grenzen und dass die axiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge (41) an diesem Punkt (44) gleich Null ist.
Metallisches Wärmetauscherrohr (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten Werkstoffvorsprünge (41) von der Rippenspitze (33) zu den zweiten Werkstoffvorsprüngen (42) hin erstrecken.
Metallisches Wärmeaustauscherrohr (1) mit einer Rohrwand (2) und mit auf der Rohraußenseite (21) umlaufenden Rippen (3), welche einen Rippenfuß (31), Rippenflanken (32) und eine Rippenspitze (33) haben, wobei der Rippenfuß (31) im Wesentlichen radial von der Rohrwand (2) absteht, und die Rippenflanken (32) mit zusätzlichen Strukturelementen versehen sind, die seitlich an der Rippenflanke (32) angeordnet sind, wobei erste Werkstoffvorsprünge (41), die sich im Wesentlichen in Axial- und Radialrichtung erstrecken, und zweite Werkstoffvorsprünge (42), die sich im Wesentlichen in Axial- und Umfangsrichtung des Rohres (1) erstrecken, gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Werkstoffvorsprünge (41) von den zweiten Werkstoffvorsprüngen (42) beabstandet angeordnet sind.
Metallisches Wärmetauscherrohr (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ersten Werkstoffvorsprünge (41) von der Rippenspitze (33) in Radialrichtung erstrecken und die radiale Erstreckung der ersten Werkstoffvorsprünge (41) geringer ist als der radiale Abstand der zweiten Werkstoffvorsprünge (42) von der Rippenspitze (33).