Gezackte Rippe und damit versehenes Wärmetauscherröhr
Die Erfindung betrifft eine gezackte Rippe aus Blech zur Anbringung an der Umfangsflache eines metallenen Rohres, wobei die Rippe aus einem im angebrachten Zustand dem Rohr zugewandten Rippenfuß mit frei von diesem hervorstehenden laschenför- migen Rippensegmenten und zwischen den Rippensegmenten vorgesehenen Lücken gebildet ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Wärmetauscherrohr, das mit wenigstens einer gezackten Rippe versehen ist.
Grundsätzlich ist es bekannt, glatte oder gezackte Rippen für Wärmetauscherrohre zu verwenden, die etwa senkrecht von der U - fangsflache des Rohres abstehen. Gegenüber einem Wärmetauscherrohr mit einer glatten Rippe wird das umströmende Medium durch eine gezackte Rippe stärker verwirbelt. Die Verwirbelung bewirkt einen besseren Wärmeübergang zwischen dem Wärmetauscherrohr und dem das Wärmetauscherrohr umströmenden Medium.
Wegen des verbesserten Wärmeübergangs kann eine gezackte Rippe kürzer ausgeführt werden, um die gleiche Wärmeübertragungsleistung zu erbringen, als eine glatte Rippe ohne Zacken. Bei gleicher Wärmeübertragungsleistung weist ein Wärmetauscherrohr mit einer gezackten Rippe daher ein geringeres Gewicht als ein Wärmetauscherrohr mit einer glatten Rippe auf.
Die bekannte gezackte Rippe wird aus einem Blechband hergestellt. Der übliche Querschnitt des Blechbandes ist rechteckig Und weist beispielsweise eine Breite von 19 mm und eine Dicke von 1 mm auf. Das Blechband wird mit Scherschnitten etwa senkrecht zu einer der Schmalseiten eingeschnitten. Durch die Einschnitte entstehen die einzelnen Rippensegmente. Die gescherten Schmalseiten eines jeden Rippensegments sind parallel zueinan- der ausgerichtet. Der Materialzusammenhalt ist lokal aufgehoben
ohne jedoch Material abzutragen. Üblicherweise beträgt die Länge der Scherschnitte etwa 2/3 bis 3/4 der Breite des Blechbandes. Der nicht eingeschnittene Teil des Blechbandes bildet den Rippenfuß, der stoffschlüssig mit dem Rohr verbunden werden muss, um ein Wärmetauscherrohr zu erhalten.
Zur Verbindung der Rippe mit dem Rohr wird der Anfang des Blechbandes mit dem Rippenfuß an der Umfangsfläche des Rohres angesetzt und punktuell stoffschlüssig mit diesem verbunden. Nachfolgend wird das Rohr relativ zu dem Blechband in Drehung versetzt während das Blechband mittels einer Vorrichtung tan- gential an das Rohr geführt wird. Durch die Drehung des Rohres wird das gerade Blechband biegeumgeformt, sodass sich der Rippenfuß an die Umfangsfläche des Rohres anschmiegt. Der Rippen- fuß wird mit der Umfangsfläche des Rohres verschweißt. Durch die Umformung des Blechbandes werden die zunächst noch dicht aneinanderliegenden Scherflächen benachbarter Rippensegmente auseinander gespreizt, sodass zwischen den Rippensegmenten die keilförmigen Lücken entstehen.
Die bekannte gezackte Rippe und das damit versehene Wärmetauscherrohr bilden einen guten Kompromiss zwischen einerseits der auf der Verwirbelung basierenden guten Wärmeübertragung und andererseits der Erhöhung des Strömungswiderstands, der durch die Verwirbelung des umströmenden Mediums induziert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gezackte Rippe so weiterzubilden, dass unter Beibehaltung der Vorteile der bekannten gezackten Rippe die Wärmeübertragung weiter verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Breite jedes Rippensegments, die durch den Abstand der benachbarten Lücken definiert ist, von dem Rippenfuß zu dem freien Ende des Rippensegments hin zunimmt, und dass die Dicke jedes Rippenseg-
ments von dem Rippenfuß zu dem freien Ende des Rippensegments hin abnimmt.
Diese einfache Maßnahme vergrößert bei gleichem Materialaufwand für eine Rippe deren für den Wärmeübergang wirksame Oberfläche. Bei einer konkreten Ausführungsform einer gezackten Rippe, die aus einem Blechband mit rechteckigem Querschnitt 19 mm x 1 mm hergestellt ist, können 280 Rippen je Meter Wärmetauscherrohr vorgesehen werden. Bei einem Außendurchmesser des Rohres von beispielsweise 38 mm ergibt sich für die gezackte Rippe nach dem Stand der Technik eine Wärmeübertragungsfläche von 1,80 m2. Auf demselben Rohr ergeben 280 gezackte Rippen gemäß der vorgeschlagenen Konstruktion eine Wärmeübertragungsfläche von 2,04 m2. Dies entspricht bei gleichem Materialaufwand für die Rippe einer Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche von etwa 13 %.
Für einen Großwärmetauscher, der für seine geforderte Wärmeübertragungsleistung bisher 1000 Wärmetauscherrohre mit konventionell gezackten Rippen benötigte, werden bei Anwendung der erfindungsgemäßen gezackten Rippe nur noch 870 Wärmetauscherrohre benötigt. Dies bedeutet einen erheblichen Vorteil durch gesunkene Materialkosten und Herstellkosten. Außerdem wird durch das geringere Gewicht und die geringere Baugröße der Transport und die Lagerung von Wärmetaucherrohren bezie- hungsweise Wärmetauschern vereinfacht und verbilligt.
Günstigerweise weist das laschenförmige Blech der jedes Rippensegments etwa die Form eines Trapezes auf. Das Trapez ist für die voneinander abgespreizten Rippensegmente die günstigste Geometrie, um ein Rippensegment in die benachbarten keilförmigen Lücken hinein auszubreiten. Die Fläche der keilförmigen Lücke wird durch die Trapezform der Rippensegmente verringert. Die keilförmigen Lücke werden dadurch schmäler.
Einfacherweise ist der Längsschnitt der Rippensegmente keil-
förmig, weil diese einfache Geometrie leicht herstellbar und leicht berechenbar ist.
Zweckmäßig ist die Oberfläche der Rippensegmente glatt, um Strömungsverluste gering zu halten.
Sowohl aus strömungstechnischer Sicht als auch für die Herstellung ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche jedes Rippensegments eine Struktur aufweist, die durch ein Walz- oder ein Ziehverfahren hergestellt ist. Dies, weil sich bei diesen Fertigungsverfahren eine für die Wärmeübertragung günstige Glätte der Oberfläche ergibt und weil die angegebenen Fertigungsverfahren einfach durchführbar sind.
Ein weiterer Nutzen wird dann gesehen, wenn die an den Rippenfuß heranreichende tiefste Stelle jeder Lücke eine kerbarme abgerundete Form aufweist. Diese Form verhindert, dass Auftreten eines Rissfortschritts von der Lücke in den Rippenfuß während der relativ starken Umformung und Anschmiegung des Rippenfußes an die Umfangsfläche des Rohres.
A7 An dem Rippenfuß der gezackten Rippe ist vorzugsweise ein quer zur Rippe weisender Steg vorgesehen, der eine Auflagefläche für die Umfangsfläche eines metallenen Rohres auf- weist. Dabei ist die Auflagefläche des Stegs dazu vorgesehen, mit der Rohroberfläche eines Wärmetauscherrohres verschweißt zu werden .
Der Steg kann mit einer Wölbung versehen sein, die in Richtung eines frei hervorstehenden Rippensegments weist.
Die Rippe mit dem Steg kann einen L-fÖrmig gebogen Querschnitt aufweisen, wobei der an dem Steg frei hervorstehende L-Schenkel die Rippe bildet.
Vorzugsweise sind an dem Steg zwei U-Schenkel angebracht, , sodass Steg und Rippen einen U-förmig gebogen Querschnitt aufweisen, wobei die an dem Steg frei hervorstehenden U-Schenkel Rippen bilden.
Der Abstand zwischen zwei U-Schenkeln benachbarter Windungen der schraubenförmig gewickelten Rippe entspricht vorzugsweise dem Schenkelabstand, den der U-förmige Querschnitt aufweist.
Eine aus einem Zusatzwerkstoff bestehende Schweißnaht ist vorzugsweise schmaler ausgebildet als die Breite des Stegs.
An einem einfachen Wärmetauscherrohr mit einer erfindungsgemäßen gezackten Rippe ist wenigstens eine Rippe entlang einer ringförmigen Linie stoffschlüssig mit der Umfangsfläche des Rohres verbunden. Mehrere ringförmige Rippen lassen sich so leicht vorproduzieren und in einem nachgeschalteten Schritt durch ein Löt- oder Schweißverfahren stoffschlüssig mit dem
Rohr verbinden.
Eine alternative Konstruktion eines Wärmetauscherrohrs sieht vor, dass wenigstens eine Rippe wendeiförmig beziehungsweise entlang einer Schraubenlinie stoffschlüssig mit der Umfangsfläche des Rohres verbunden ist. Aus Gründen der Wärmeüber- tragung sowie aus fertigungstechnischer Sicht kann es vorteilhaft sein, mehrere Rippen nach Art der Gewindegänge eines mehrgängigen Gewindes auf der Umfangsfläche des Rohres anzuordnen, wobei dann jede Rippe mit einem größeren Steigungswinkel um die Umfangsfläche des Rohres geschlungen werden muss als bei einem eingängig mit einer Rippe umschlungenen Rohr.
Nachfolgend ist die Erfindung in einer Zeichnung beispielhaft dargestellt und anhand einzelner Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Wärmetauscherrohres mit einer gezackten Rippe nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine ausschnittsweise Darstellung dreier Rippensegmen- te der gezackten Rippe gemäß Fig. 1,
Fig. 3 die Seitenansicht einer Schmalseite der gezackten Rippe gemäß Fig. 2,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Wärmetauscherrohres mit einer erfindungsgemäßen gezackten Rippe,
Fig. 5 eine ausschnittsweise Darstellung dreier Rippensegmente der gezackten Rippe gemäß Fig. 4,
Fig. 6 die Seitenansicht der Schmalseite eines Rippensegments gemäß Fig. 5,
Fig. 7 eine Seitenansicht auf eine gezackte Rippe mit Steg und L-förmig gebogenem Querschnitt,
Fig. 8 eine Seitenansicht auf eine gezackte Rippe mit Steg und U-förmig gebogenem Querschnitt.
um einfacheren Verständnis ist in den Figuren 1 bis 3 der Stand der Technik dargestellt. Gleiche technische Merkmale sind sowohl in den Figuren zum Stand der Technik als auch in den Figuren zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Wärmetauscherrohr 1 nach dem Stand der Technik. Die eingezeichnete Schraffur zeigt die Wandstärke eines metallenen Rohres la, dessen Außendurchmesser 38 mm beträgt. An der Umfangsfläche lb des Rohres ia ist eine aus einem Blechband hergestellte gezackte Rippe 2
mit der Schmalseite ihres Rippenfußes 3 verschweißt und steht senkrecht von der Umfangsfläche lb ab. Die gezackte Rippe 2 ist aus einem geraden langgestreckten Blechband hergestellt, das zunächst in gleichmäßigen Abständen mit Scherschnitten versehen worden ist. Die Scherschnitte haben das Blech in Rippensegmente 4 unterteilt. Anschließend ist das Blechband durch Biegung so umgeformt worden, dass es sich an der Umfangsfläche des Rohres la anschmiegt. Durch die Umformung sind die Rippensegmente 4 auseinander gespreizt worden und zwischen den Rippensegmenten 4 sind die keilförmigen Lücken 5 entstanden. Die sich gegenüberliegenden Scherflächen 4a und 4b eines Rippensegments 4 sind, wie am Besten in Fig. 2 erkennbar, zueinander parallel. Die in Fig. 3 erkennbare Dicke d des Rippensegments 4 ist konstant und entspricht der Dicke des Blechbandes.
Die erfindungsgemäße gezackte Rippe ist in den Figuren 4 bis 6 verdeutlicht. Fig. 4 zeigt den Querschnitt eines Wärmetauscherrohres 1, das mit der erfindungsgemäßen gezackten Rippe 2 versehen ist. Es ist sehr leicht zu erkennen, dass die keilförmigen Lücken 5 zwischen den einzelnen Rippensegmenten 4 schmäler sind als bei den Rippensegmenten 4 nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1. Der Vergleich zwischen den Figuren 2 und 5 macht augenscheinlich, dass der Keilwinkel der Lücke 5 sich bei der erfindungsgemäßen gezackten Rippe 2 mehr als halbiert hat. Festzustellen ist, dass ein Rippensegment 4 gemäß Fig. 5 die gleiche Materialmenge aufweist wie ein Rippensegment 4 gemäß Fig. 2.
Die in Fig. 5 dargestellt Form und Breite eines Rippensegments kommt zustande, weil die Materialmenge des Rippensegments 4 anders verteilt ist als bei dem in Fig. 2 gezeigten Rippensegment 4 nach dem Stand der Technik. In Fig. 6 ist erkennbar, dass die Dicke d des Rippensegments 4 von dem Rippenfuß 3 zum freien Ende des Rippensegments 4 hin stetig abnimmt. Durch die- se Konstruktion und mit den in diesem Ausführungsbeispiel dar-
gestellten Proportionen erhöht sich die wirksame Wärmeübertragungsoberfläche der erfindungsgemäßen gezackten Rippe 2 um ca. 13 % gegenüber der gezackten Rippe 2 des Standes der Technik nach den Figuren 1 bis 3.
Die Blechlasche der Rippensegmente 4 weist nach Fig. 5 etwa die Form eines Trapezes auf, wobei die gegenüberliegenden schmalen Scherflächen 4a und 4b der Rippensegmente 4 die schrägen Seiten des Trapezes bilden.
Nach dem Ausführungsbeispiel sind auf einem Meter Rohrlänge des Wärmetauscherrohres 1 in regelmäßigem Abstand zueinander 280 einzelne ringförmige gezackte Rippen 2 angeordnet. Alternativ kann eine einstückige gezackte Rippe 2 entlang einer Schrauben- linie auf der Umfangsfläche des Rohres angeschweißt sein, wobei in der Summe dieselbe Länge und somit die gleiche Wärmeübertragungsfläche, wie bei 280 ringförmigen Einzelrippen zustande kommt .
Es hat sich erwiesen, dass sowohl bei ringförmiger Anbringung mehrerer Rippen 2 als auch bei einstückiger wendeiförmiger Anbringung einer gezackten Rippe 2 im Vergleich mit dem Stand der Technik keine nennenswerte Erhöhung des Strömungswiderstandes für das umströmende Medium festzustellen ist. Die neue Kon- struktion bildet einen sehr zufriedenstellenden Kompromiss zwischen erhöhter Wärmeübertragungsleistung und induziertem Strömungswiderstand.
Der Längsschnitt bzw. das Profil nach Fig. β zeigt, dass ein Rippensegment 4 keilförmig ausgebildet ist und ein stumpfes Keilende 4c aufweist. Das zum freien Ende des Rippensegments 4 ausgedünnte Material ist in die Rippensegmentbreite umverteilt worden. Die Oberfläche der Rippensegmente 4 ist glatt. Auf diese Weise werden Reibungsverluste durch die Reibung der Strömung an der Oberfläche der Rippensegmente 4 gering gehalten.
Die an den Rippenfuß 3 heranreichende tiefste Stelle jeder Lücke 5 weist eine kerbarme abgerundete Form 5a auf, die während der Umformung des Blechbandes einen Rissfortschritt des Scherschnittes in den Rippenfuß 3 hinein verhindert.
In den Figuren 7 und 8 sind Ausführungsformen einer gezackten Rippe dargestellt, deren Rippenfuß 3 einen quer zur Rippe weisenden Steg 6 aufweist. Nach Fig. 7 ist der Rippe-Steg- Querschnitt L-förmig ausgebildet. Gemäß Fig. 8 ist ein U-förmig ausgebildeter Rippe-Steg-Querschnitt vorgesehen.
Der Steg 6 weist in beiden Fällen eine Auflagefläche βa, mit der er im verbundenen Zustand an der Umfangsfläche eines metal- lenen Rohres aufliegt. Die Auflagefläche βa des Stegs 6 ist derjenige Teil, der mit der Rohroberfläche eines Wärmetauscherrohres verschweißt wird.
Nach Fig. 8 ist der Steg 6 mit einer Wölbung 7 versehen, die in Richtung des frei hervorstehenden Rippensegments 4 weist. Die Wölbung 7 des Steg 6 ist somit von der Rohroberfläche eines Wärmetauscherrohres aus nach oben gerichtet. Zwischen der Wölbung 7 und der Rohroberfläche entsteht im gefügten Zustand ein Hohlraum 8. Für die Herstellung eines Wärmetauscherrohres wer- den Schweißverfahren eingesetzt. Ein Schweißzusatzwerkstoff wird in Form eines Schweißdrahts zugeführt. Dabei vereinfacht der Hohlraum 8 die Führung der Schweißnaht bzw. des Schweißdrahts. Die Schweißnaht ist seitlich begrenzt und geführt. Der Hohlraum 8 dient dazu, ein Ausbrechen der Schweißnaht nach au- ßen zu verhindern. Außerdem wird die Menge des benötigten Schweißzusatzwerkstoffs durch das Volumen des Hohlraums 8 begrenzt. Der Schweißzusatzwerkstoff tritt nicht oder nur wenig über die Breite des Stegs 6 hinaus.
Auf den Hohlraum kann selbstverständlich auch verzichtet
werden. Der dann ohne Wölbung ausgebildete gerade Steg ist in Fig. 8 in gestrichelter Linie dargestellt.
Der Abstand zwischen zwei den beiden U-Schenkeln gemäß Fig. 8 ist im gewickelten Zustand der gezackten Rippe so, dass die Rippensegmente 4 benachbarter Windungen eine Abstand von einander aufweisen, der dem Schenkelabstand entspricht, den die U- Schenkel an dem gemeinsamen Steg aufweisen.
Die Auflagefläche 6a des Stegs 6 ist mit einer Profilierung versehen (nicht dargestellt) , die in Form feiner Längsrippen ausgebildet ist. Durch die Profilierung verbessert sich die Schweißfähigkeit der Rippe über elektrische Lichtbogenschweißverfahren. Die Längsrippen werden während des Herstellvorgangs in einer Walzeinrichtung mittels besonderer Walzen eingewalzt.
Gezackte Rippe und damit versehenes Wärmetauscherrohr
Bezugszeichenliste
1 Wärmetauscherrohr la metallenes Rohr
1b Umfangsfläche
2 gezackte Rippe
3 Rippenfuß
3a Schmalseite
4 Rippensegment
4a Scherfläche
4b Scherfläche
4c stumpfes Keilende
5 Lücke
5a abgerundete Form
6 Steg
6a Auflagefläche
7 Wölbung
8 Hohlraum α Keilwinkel d Dicke