DE2532143A1

DE2532143A1 - Metallischer waermeuebertrager, insbesondere rohr, und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2532143A1
Application number: DE19752532143
Authority: DE
Inventors: Bonnie Jack Campbell; Klaus Karl Rieger
Original assignee: Universal Oil Products Co
Current assignee: Universal Oil Products Co
Priority date: 1974-08-21
Filing date: 1975-07-18
Publication date: 1976-03-04
Also published as: EG12085A; BR7503428A; NL7507247A; PH12085A; AU8082275A; SE7506689L; JPS5244865B2; JPS5126674A; US3893322A; CA1038145A; IL47217A; IN144415B; FR2282615B1; GB1508483A; ES437398A1; IL47217A0; ZA752812B; IT1036968B; LU73239A1; AU497204B2

Description

DM ■·<· OIPL.-ΙΝβ M. »C DIfL-PHVI. OR. Dl*L.-WY·. HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER PHtNTiNWA'.Tf IN STUTTQART

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14. JuIi 1975

UOP Universal Oil Products Company

Ten UOP Plaza - Algonquin & Mt. Prospect Roads

Des Piaines, 111. 60016, USA

Metallischer Wärmeübertrager, insbesondere ^ und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen metallischen Wärmeübertrager, insbesondere ein Rohr, mit an meiner Oberfläche angeformten Rippen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmeübertragers.

Es ist bekannt, dass man durch Veränderung der Oberfläche eines glatten zylindrischen Rohrs, beispielsweise durch Anformen von Rippen₇durch Erzeugung einer Wellung oder durch Ritzen, Rändeln

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oder Aufrauhen, die Oberfläche vergrössern und damit die Wärmeübertragungsfähigkeit beim Kochen von Flüssigkeiten gegenüber einem glatten Rohr beträchtlich erhöhen kann. Es ist gleichfalls bekannt, dass die flächenhafte Wärmeübertragung verbessert wird, wenn man die Oberfläche in einem Ritz- und Rändelverfahren bearbeitet, bei welchem durch Ritzen hergestellte Stege im Zuge eines nachfolgenden Rändelvorgangs teilweise in Richtung auf die angrenzenden Nuten verformt werden und diese unterteilen, wobei teilweise geschlossene und miteinander verbundene Hohlräume gebildet werden, in denen Dampf eingeschlossen werden kann, wodurch sich dementsprechend eine Vermehrung der Auslösepunkte für Kochvorgänge ergibt.

Es ist auch bekannt, dass das Anformen von Rippen an glatten Oberflächen erfolgen soll, da. Oberflächenfehler dazu führen können, dass in der Rippe ein Riss mit Undefinierter Tiefe und Richtung entsteht. Bisher versucht man daher Oberflächenfehler in dem Material zu vermeiden, da man fürchtete,dass die Risse in die Rohrwandung eindringen könnten und damit eine unzulässige Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften derselben mit sich bringen könnten. Es ist derzeit möglich, die Rissbildung während der Herstellung der Rohre durch eine zerstörungsfreie Wirbelstromprüfung festzustellen. Bei diesen Prüfungen wird es im allgemeinen als unzulässig angesehen, wenn die Risse tiefer als 10% der Wandstärke des Rohres eindringen, so dass ein Rohr mit einem tieferen Riss· als Ausschuss verworfen wird. Dagegen sind Risse in den Rippenspitzen und solche Risse, deren Eindringtiefe nicht grosser ist als 1o% der Wandstärke des Rohres, zulässig.

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Da Wärmetauscherrohre im allgemeinen aus teuren Materialien hergestellt werden, wie z.B. aus Kupfer, und in grossen Mengen benötigt v/erden, ist es klar, dass Verbesserungen hinsichtlich der Wärmeübertragungsfähigkeit und/oder der Herstellungskosten bei der Verringerung der Gesamtkosten einer Wärmetauscheranlage sehr stark ins Gewicht fallen können.

Ausgehend von den vorstehend beschriebenen Stand der Technik und der erläuterten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen metallischen Wärmeübertrager, insbesondere ein Rohr mit verbesserter Wärmeübertragungsfähigkeit und ein Verfahren zu seiner Herstellung vorzuschlagen.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch einen metallischen Wärmeübertrager, insbesondere ein RoIIr₇ mit an seiner Oberfläche angeformten Rippen gelöst, der bzw. das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Rippen aus zumindest teilweise gerändelten Oberflächenbereichen durch Rollen angeformt sind und eine Rippenspitze mit sich in radialer Richtung von aussen nach innen verjüngenden Materialrissen aufweisen.

Durch diese Ausgestaltung wird der Vorteil erreicht, dass sich eine erhöhte Anzahl von Auslösepunkten für Kochvorgänge und damit eine verbesserte Wärmeübertragungsfähigkeit ergibt, ohne dass es erforderlich wäre, zusätzliche Bearbeitungsschritte durchzuführen.

Bei einem metallischen Wärmeübertrager gemäss der Erfindung ist es günstig, wenn die äusseren Enden der Materialrisse durch Rändelkerben gebildet sind.

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Das erfindungsgemässe Verfahren zur Verbesserung der WärmeübertragungsfMhigkeit der Oberfläche eines metallischen Wärmeübertragers, insbesondere eines Rohrs, durch Erzeugung von Rippen an seiner Oberfläche ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Oberfläche des Wärmeübertragers zuerst zumindest teilweise mit einer Rändelung versieht und dass man dann die gerändelten Bereiche einem Verformungsvorgang zur Erzeugung von Rippen unterwirft.

Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Rohr mit glatter Oberfläche zunächst gerändelt, und zwar derart, dass die einzelnen Rändelnuten unter einem Winkel zur Rohrlängsachse schwach eingeprägt oder eingepresst sind und ein rautenförmiges Muster bilden, wobei auf einen abgerundeten Nutgrund hingearbeitet wird. An dem gerändelten Rohr werden anschliessend Rippen angeformt. Das Rändeln hat zur Folge, dass das Material des Rohrs im Bereich der Randeleinpragungen verfestigt wird. Die nachfolgende Metallverformung beim Hochrollen der Rippen bringt es dann mit sich, dass die Einprägungen reissen, so dass sich eine grosse Anzahl sehr kleiner Materialrisse oder Hohlräume in den in radialer Richtung am weitesten aussen liegenden Bereichen der Rippen ergibt. Die Materialrisse bilden Auslösepunkte für eine Verstärkung der Kochvorgänge. Das rautenförmige Rändelmuster wird vorzugsweise dadurch erhalten, dass man zwei Rändelwerkzeuge verwendet, deren Kanten unter einem Winkel zueinander und ausserdem unter einem Winkel von etwa 30° zur Rohrlängsachse verlaufen. Die sich aufgrund der Rändelung ergebenden in diagonaler Richtung verlaufenden Risse in den Rippenspitzen haben eine durchschnittliche Breite von etwa 0,075 mm, sind keilförmig und besitzen eine Tiefe von etwa

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0,63 mm, wobei die Breite von 0 mm an dor tiefsten Stelle auf etwa 0,15 mm an der in radialer Richtung am weitesten aussen liegenden Stelle ansteigt. Die vorstehenden Angaben zeigen, dass die Risse wesentlich schmaler sind als man sie mit bekannten Verfahren als Schlitze herstellen könnte und dass sie insbesondere ausreichend eng sind, um das punktweise Kochen einzuleiten und aufrechtzuerhalten. Da die Risse nur an den Spitzen der Rippen vorhanden sind, werden die Rippen bzw. das Rohr nicht geschwächt, wie dies der Fall wäre, wenn die Risse tiefer in die Rohrwandung eindringen würden. Obwohl man zur Rändelung der Rohroberfläche vorzugsweise ein Paar von Rändelwerkzeugen verwendet, könnten auch andere Werkzeuge verwendet werden, um eine örtlich begrenzte Werkstoffverfestigung herbeizuführen. Man könnte ferner ein Rändelwerkzeug verwenden, das mit der Rohrlängsachse fluchtet, v/obei jedoch kürzere Risse erhalten wurden, als bei Verwendung eines Rändelwerkzeugs, welches schräge Rändelnuten erzeugt.

Die Verv/endung eines metallischen Wärmeübertragers bzv/. die Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung führt bei einem mit Rippen versehenen Rohr zu einer Verbesserung des Wärmeübertragungskoeffizienten von etwa 80% gegenüber einem bekannten Rippenrohr. Da die gesamte Wärmeübertragungsfähigkeit eines Rohres sowohl eine Funktion der Wärmeübertragungsfähigkeit auf der Aussenseite als auch eine Funktion der Wärmeübertragungsfähigkeit auf der Innenseite ist, ist es wünschenswert, auch die Wärmeübertragungsfähigkeit auf der Innenseite zu verbessern, beispielsweise mittels innerer Rippen, um so die Vorteile der Verbesserung der Wärmeübertragungsfähigkeit, v/elche gemäss der Erfindung erreichbar sind, in optimaler Weise zu nutzen.

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Andererseits scheint die Gesamt-Wärmeübertragungsfähigkeit selbst bei Rohren mit glatter Innenseite um etwa 2 5% verbessert zu werden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines verbesserten Wärmetauscherrohrs gemäss der Erfindung;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch das Rohr gemäss Fig. 1 längs der Linie 2-2 in dieser Fig;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer geeigneten Bearbeitungsvorrichtung zum Herstellen von Rohren gemäss Fig. 1 (wobei eine Welle zur Erhöhung der Übersichtlichkeit weggelassen wurde) und

Fig. 4 eine Seitenansicht eines der zum Rändeln und Hochrollen der Rippen dienenden Werkzeuge der Bearbeitungsvorrichtung gemäss Fig. 3.

Das in Fig. 1 gezeigte Rohr ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet und nach dem verbesserten erfindungsgemässen Verfahren hergestellt. Das Rohr 10 wird vorzugsweise so hergestellt, dass sich an seinen beiden Enden Abschnitte 12 ohne Rippen ergeben, da hierdurch die Verbindung der Rohre mit Muffen oder Fittings vereinfacht wird. Das Rohr 10 kann mit einer Bearbeitungsvorrichtung 13 gemäss Fig. 3 hergestellt werden. Das

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Rohr wird der Bearbeitungsvorrichtung 13 von links zugeführt und bewegt sich nach rechts über einen Dorn 14 bis der Abschnitt 12, welcher glatt bleiben soll, eine hintere Rollscheibengruppe 16 passiert hat. Zu diesem Zeitpunkt v/erden die schräg gestellten drehbaren Werkzeugwellen 18,20 und 22 allmählich nach innen bewegt, bis ein Satz von Rändelwerkzeugen 18,20, eine vordere Rollscheibengruppe 30 und eine hintere Rollscheibengruppe 16 bezüglich des Rohres 10 ihre vorgegebene Arbeitsstellung erreicht haben. Das Verschwenken der Werkzeugwellen 18, 2O und 22 erfolgt aufgrund der Tatsache, dass die Wellen drehbar an Kniehebeln 32 gelagert sind, mit deren Hilfe sie in Richtung auf den Dorn 14 zu und von diesem wegbewegbar sind. Das Rohr 10 bewegt sich von links nach rechts an den verschiedenen Werkzeugen vorbei und wird somit zuerst gerändelt, wobei ein rautenförmiges Muster von Rändelnuten erzeugt wird, und zwar mit Hilfe der einander gegenüberliegenden Diagonal-Rändelwerkzeuge 26, 28. Erst anschliessend erfolgt das Hochrollen der Rippen. Die mit einer Rändelung versehenen Bereiche werden also unmittelbar anschliessend an die Rändelung durch die beiden Rollscheibengruppen 30 und 16 zunächst zu einer Rippenvorform und dann zu den endgültigen Rippen hochgerollt. Wie am besten aus Fig. 4 deutlich wird, besitzen das Rändelwerkzeug bzw. der Rändelbereich 26 und die beiden Rollscheibengruppen 30, 16 eine im wesentlichen kegelförmige Gestalt, um so eine allmähliche und schrittweise Verformung des vorrückenden Rohres 10 zu erreichen.

Fig. 2 zeigt die typische Form der Rippen eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Wärmetauscherrohrs. Man erkennt, dass ausgehend von den Rippenspitzen Risse 36 vorhanden

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sind, welche sich von aussen nach innen in radialer Richtung keilförmig verjüngen und Nuten veränderlicher Breite bilden, in denen sich Dampfblasen in der für die jeweilige Flüssigkeit günstigsten Tiefe ausbilden können. Allgemein lässt sich sagen, dass der Wärmeübertragungskoeffizient des Rohres beim Kochen umso besser wird, je mehr Rippen vorhanden sind und je mehr Risse 36 vorhanden sind. Ein Rohr mit einem Durchmesser von etwa 16 ram am Rippenfuss und mit einer Rippe pro mm sowie mit einer Wandstärke unterhalb der Rippen von 0,71 mm wurde vor dem Hochrollen der Rippen gerändelt, wobei Rändelnuten mit einer Tiefe zwischen etwa 0,13 und 0,18 mm erzeugt wurden, und zwar mit Rändelwerkzeugen 26, 28 mit einem Zahnabstand von 0,75 mm. Dabei ergab sich eine Verbesserung des Wärmeübertragungskoeffizienten auf der Aussenseite beim Kochen in einem Ereon-Kühlmittel von etwa 80% verglichen mit einem Rohr mit identischen Rippen, welches jedoch ohne eine Rändelung vor dem Hochrollen der Rippen hergestellt wurde.

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Claims

Λ 41 214 b k - 163 14. Juli 1975 - 9 - 25321 43 Patentansprüche :

1./ Metallischer Wärmeübertrager, insbesondere Rohr, mit an seiner Oberfläche angeformten Rippen, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen aus zumindest teilweise gerändelten Oberflächenbereichen durch Rollen angeformt sind und eine Rippenspitze mit sich in radialer Richtung von aussen nach innen verjüngenden Materialrissen (36) aufweisen.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Enden der Materialrisse (36) durch Rändelkerben gebildet sind.

3. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, insbesondere eines Rohres, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Oberfläche des Wärmeübertragers zuerst zumindest teilv/eise mit einer Rändelung versieht und dass man dann die gerändelten Bereiche einen Verformungsvorgang zur Erzeugung von Rippen unterwirft.

4. Verfahren nach Anspruch 3 zur Verbesserung der Wärmeübertragungsfähigkeit eines Rohrs, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Rändelung in Form eines Musters von Nuten erzeugt, die schräg zur Rohrlängsachse und im wesentlichen quer zur Ebene der einzelnen Rippen verlaufen.

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5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

dass an dem Rohr gleichzeitig eine Rändelung erzeugt und Rippen angeformt werden.

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