DE2109884A1

DE2109884A1 - Heat transfer pipe

Info

Publication number: DE2109884A1
Application number: DE19712109884
Authority: DE
Inventors: Withers James Gordon; Habdas Edward Paul
Original assignee: Universal Oil Products Co
Current assignee: Universal Oil Products Co
Priority date: 1970-06-01
Filing date: 1971-03-02
Publication date: 1971-12-16
Also published as: FR2093925B1; AT303095B; JPS5040260B1; GB1267149A; BE763471A; IL35832A; FR2093925A1; CH526084A; ES164845U; SE364557B; ZA708346B; ES387004A1; ES164845Y; BR7100241D0; IL35832A0

Description

betreffend Wärmeübertragungsrohr regarding heat transfer tube

Bs gibt zahlreiche MlIe, in denen eine Flüssigkeit dadurch zum Sieden gebracht wird, daß ihr durch einen Wärmedurchgang von der Innenwand eines Rohrbündels Wärme zugeführt wird, das vollständig oder teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht ist. Hierbei ist es möglich, den dem Wärmedurchgang durch die Außenfläche solcher Rohre entgegengesetzten Widerstand erheblich zu verringern, wenn man auf der Außenseite der Rohre eine poröse Siedefläche vorsieht.There are numerous times in which a liquid is brought to the boil by supplying heat to it through a heat passage from the inner wall of a tube bundle that is completely or partially immersed in the liquid. Here it is possible to reduce the heat transfer due to the outer surface of such pipes to significantly reduce opposite resistance when looking at the outside provides a porous boiling surface for the tubes.

Man erhält eine solche poröse Siedefläche, indem man Metallpulver von geregelter Teilchengröße auf die Oberfläche des Rohrs aufbringt und das Metallpulver danach sintert. Sin solches Verfahren zum Aufbringen einer porösen Siedefläche ist mit allen Einzelheiten in der U.S.A.-Patentschrift 3 384 154 beschrieben.Such a porous boiling area is obtained by Applies metal powder of controlled particle size to the surface of the pipe and the metal powder is then sintered. Sin such method of applying a porous boiling surface is described in full detail in the U.S. Patent 3,384,154.

Die vorliegende Erfindung läßt sich allgemein bei Einrichtung anwenden, bei der ein Rohrbündel in einem Mantel angeordnet ist, der die zum Sieden zu bringende Flüssigkeit enthält, und bei welcher sich der Wärmeübergang von einem durch das Rohr geleiteten Flud zu der die Außenfläche dea Rohrs berührenden Flüssigkeit vollzieht. Als ein Beispiel The present invention can generally be applied to equipment in which a tube bundle is arranged in a jacket which contains the liquid to be boiled, and in which the heat transfer is from a fluid conducted through the tube to the liquid in contact with the outer surface of the tube carries out. For example

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für die lalle, in denen sich die Erfindung auf besonders vorteilhafte Weise anwenden läßt, seien die sogenannten überfluteten Kühler genannt, die gewöhnlich bei Kühlanlagen und Luftklimatisierungseinrichtungen verwendet werden. Ein solcher Kühler umfaßt einen Mantel, in dem mehrere Rohre angeordnet sind. Im Inneren der Rohre wird gewöhnlich Wasser oder eine Sole verwendet, und das Rohrbündel ist vollständig oder teilweise in ein flüssiges Kühlmittel eingetaucht, bei dem es sich gewöhnlich um ein Fluortriehlormethan-Kühlmittel handelt. Die die Innenfläche der Rohre berührende Flüssigkeit befindet sich auf einer höheren Temperatur, so daß das Kühlmittel auf der Außenseite der Rohre'zum Sieden gebracht wird. Bis jetzt spielt sich hierbei der Wärmeübergang auf eine solche Weise ab, daß der Siedebeiwert auf der Außenseite jedes Rohrs vergleichsweise niedriger ist als auf der Innenseite des Rohrs, so daß sich günstige Bedingungen bei der Verwendung eines Rohrs ergeben, dessen Außenfläche vergrößert ist. Bis heute verwendet man daher auf ihrer Außenseite mit Rippen versehene Rohre. In neuerer Zeit wurde ein Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, die Wärmeübertragungseigenschaften auf der Siedeseite annähernd um den Faktor 10 zu verbessern. Gemäß diesem Verfahren wird auf die Außenfläche des Rohrs ein poröser Überzug aus Metallpulvern aufgebracht, der nach dem Aufbringen gesintert wird. Ein solches Rohr wird, als Rohr mit einer porösen Siedefläche bezeichnet.for the lalle in which the invention is particularly advantageous The so-called flooded coolers, which are commonly used in refrigeration systems and air conditioning systems, may be mentioned be used. Such a cooler comprises a jacket in which several tubes are arranged are. Water or brine is usually used inside the tubes and the tube bundle is wholly or partially immersed in a liquid coolant, which is usually a fluorotriehlomethane coolant. the The liquid in contact with the inner surface of the tubes is at a higher temperature, so the coolant rises the outside of the tubes' is brought to the boil. Up until now, the heat transfer has played out in such a way from that the boiling coefficient on the outside of each pipe comparatively is lower than on the inside of the tube, so that there are favorable conditions when using a Result tube whose outer surface is enlarged. To this day, ribs are used on the outside Tube. Recently, a process has been developed that enables the heat transfer properties on the boiling side to be improved almost by a factor of 10. According to this method, a porous surface is applied to the outer surface of the pipe Coating of metal powder applied, which is sintered after application. Such a pipe is called a pipe with a called porous boiling surface.

Bei der Weiterentwicklung solcher Rohre mit poröser Siedefläche treten zwei Schwierigkeiten auf. Die erste Schwierigkeit ist darauf zurückzuführen, daß die erhebliche Verbesserung bezüglich des Wärmeübergangs- bzw. Siedebeiwertes auf der Außenseite bewirkt, daß der Wärmeübergangsbeiwert auf der Innenseite des Rohrs zur maßgebenden Größe wird. Infolgedessen würde es sehr vorteilhaft sein, wenn es möglich wäre, bei einem Rohr mit einer porösen äußeren Bxedefläohe die Wärmeübergangseigenschaften auf der Innenseite des Rohrs auf irgendeine Weise zu verbessern·In the further development of such tubes with a porous boiling surface, two difficulties arise. The first difficulty is due to the fact that the significant improvement in terms of heat transfer or boiling coefficient the outside causes the heat transfer coefficient on the inside of the pipe to become the decisive variable. Consequently it would be very advantageous if it were possible to improve the heat transfer properties of a tube with a porous outer surface improve in some way on the inside of the pipe

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Die zweite der genannten Schwierigkeiten ergibt sich daraus, daß die mechanische Handhabung eines solchen Rohrs schwierig ist. Da der gesinterte Überzug eine erhebliche Dicke besitzt, wurden die nicht mit dem Überzug versehenen Enden und alle keinen Überzug tragenden Abschnitte zwischen den Enden eines glatten Rohrs einen Außendurchmesser haben, der etwas kleiner ist als der Außendurchmesser der mit dem Überzug versehenen Abschnitte. Wenn die in den Rohren ausgebildeten Löcher so bemessen sind, daß sie jeweils ein Rohrende aufnehmen können, ist es daher nicht möglich, die mit dem Überzug versehenen Rohrabschnitte durch diese öffnungen hindurchzuführen. Man könnte diese Schwierigkeit dadurch vermeiden, daß man die Rohrenden nach dem Sintern des Metallpulvers aufweitet, so daß sie mit einer porösen Siedefläche versehen sind. Hierbei führen jedoch die zwischen den Rohrenden liegenden, keinen Überzug tragenden Abschnitte zu größeren Schwierigkeiten, denn das Aufweiten dieser Abschnitte führt zu einem erheblich größeren Kostenaufwand als das Aufweiten der Endabschnitte.The second of the difficulties mentioned arises from that the mechanical handling of such a pipe is difficult. Since the sintered coating has a considerable thickness, the uncoated ends and any uncoated portions between the ends of a smooth Tube have an outer diameter which is slightly smaller than the outer diameter of the sections provided with the coating. Therefore, if the holes formed in the tubes are sized to receive a tube end at a time, it is it is not possible to pass the pipe sections provided with the coating through these openings. You could face this difficulty avoid thereby that one widening the pipe ends after sintering the metal powder, so that they are with a porous Boiling area are provided. In this case, however, the sections which lie between the pipe ends and do not carry a coating lead to greater difficulties, because the expansion of these sections leads to a significantly greater cost than the expansion of the end sections.

Gemäß der Erfindung werden die beiden genannten Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß die Abschnitte des Wärmetauscherrohrs zwischen den glatten Endabschnitten, mit denen sie beispielsweise in Rohrböden gehalten sind (in die sie eingewalzt oder eingeschweißt sind), und gegebenenfalls die zwischen den Indabschnitten vorgesehenen glatten Abschnitte mit Wellungen ver— sehen werden die nicht größer als der Außendurchmesser der End- und glatten Abschnitte sind und eine poröse Siedefläche aufweisen. Der hierzu dienende Arbeitsschritt bei der Herstellung wird in der Weise ausgeführt, daß der größte Außendurchmesser der gewellten Rohrabschnitte um einen Betrag verkleinert wird, der ausreicht , um das Aufbringen des die poröse Siedefläche bildenden Werkstoffs zu ermöglichen, ohne daß sich hierdurch der Außendurchmesser dieser Abschnitte über den Außendurchmesser der Endabschnitte oder glatten Abschnitte hinaus vergrößert.According to the invention, the two difficulties mentioned are avoided in that the sections of the heat exchanger tube between the smooth end sections with which they are held in tube sheets, for example (into which they are rolled or welded in), and if necessary, the smooth sections provided between the ind sections are provided with corrugations. see which are no larger than the outer diameter of the end and smooth sections and have a porous boiling surface. The working step for this purpose in the production is carried out in such a way that the largest outer diameter of the corrugated Pipe sections is reduced by an amount that is sufficient to apply the porous boiling surface forming To enable material without thereby the outer diameter of these sections on the outer diameter of the end sections or smooth sections enlarged.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention and advantageous details of the invention are shown below with reference to schematic drawings on a Embodiment explained in more detail.

Fig. 1 zeigt ein erfindungagemäßes Rohr im Längsschnitt.Fig. 1 shows a tube according to the invention in longitudinal section.

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Fig. 2 zeigt in einem größeren Maßstab einen Teil eines Querschnitts des Rohrs nach Fig. 1 und läßt die Anordnung einer porösen Siedefläche auf einem gewellten Rohrabschnitt aus Metall erkennen.Fig. 2 shows, on a larger scale, part of a cross-section of the pipe of Fig. 1 and leaves the arrangement detect a porous boiling surface on a corrugated pipe section made of metal.

In den Zeichnungen erkennt man ein Rohr 10, das mit glatten zylindrischen Enden 12 und 14 versehen ist und zwischen seinen Enden einen oder mehrere glatte zylindrische Abschnitte aufweist, von denen einer bei 16 dargestellt ist. Zwischen den glatten Endabschnitten 12 und 14 sowie den dazwischen liegenden glatten Abschnitten, z.B. dem Abschnitt 16, ist das Rohr mit Wellungen 18 versehen. Diese Wellungen werden mit Hilfe eines Verfahrens geformt, bei dem der größte Außendurchmesser der gewellten Rohrabschnitte auf einen Durchmesser verkleinert wird, der erheblich kleiner ist als der Außendurchmesser der glatten Rohrabschnitte 12, 14 und 16.In the drawings you can see a tube 10 which is provided with smooth cylindrical ends 12 and 14 and between one or more smooth cylindrical sections, one of which is shown at 16, at its ends. Between smooth end sections 12 and 14 and those in between smooth sections, e.g. section 16, the tube is provided with corrugations 18. These corrugations are made with the help of a process in which the largest outer diameter of the corrugated pipe sections is reduced to one diameter which is considerably smaller than the outer diameter of the smooth pipe sections 12, 14 and 16.

Der Außendurchmesser jedes gewellten Abschnitts ist in einem solchen Ausmaß kleiner als der Außendurchmesser der glatten Rohrabschnitte, daß es möglich ist, das poröse Siedeflächenmaterial 20 auf die gewellten Abschnitte mit einer ausreichenden Dicke aufzubringen, wobei der Außendurchmesser der mit dem Überzug versehenen gewellten Abschnitte kleiner gehalten wird als der Außendurchmesser der glatten Rohrabschnitte.The outside diameter of each corrugated section is in to such an extent smaller than the outer diameter of the smooth pipe sections that it is possible to use the porous boiling surface material 20 to apply to the corrugated portions with a sufficient thickness, the outer diameter of with the coating provided corrugated sections is kept smaller than the outer diameter of the smooth pipe sections.

Beim Vereinigen mehrerer Wärmeübertragungsrohre zu einem Bündel werden die verschiedenen Rohre in Rohrwände eingebaut und mit diesen Rohrwänden verbunden, die Öffnungen haben, deren Durchmesser bei einer typischen Konstruktion um etwa 0,38 mm größer ist als der Außendurchmesser der Rohrenden und der glatten Rohrabschnitte zwischen den Rohrenden. Es ist erwünscht und in manchen Fällen erforderlich, das Wärmeübertragungsrohr durch die Öffnungen in der Rohrwand JtiindurchsufUhren, und dies ist natürlich möglich, wenn der Außendurchinesser jedes gewellten, mit einem porösen Siedeflächenmaterial überzogenen gewellten Rohrabschnitts kleiner ist als der Außendurchmesser der glatten Rohrabschnitte. Dies wird natürlich dadurch ei-mög-When combining several heat transfer tubes into a bundle, the various tubes are built into tube walls and connected to these pipe walls which have openings whose diameter in a typical construction is about 0.38 mm is larger than the outer diameter of the pipe ends and the smooth pipe sections between the pipe ends. It is desirable and in some cases it is necessary to pass the heat transfer tube through the openings in the tube wall, and this is of course possible if the outer diameter of each corrugated, with a porous boiling surface material coated corrugated tube section is smaller than the outer diameter of the smooth pipe sections. This is of course made possible by

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licht, daß die Rohrabschnitte, die mit dem Überzug versehen werden sollen, auf eine solche Weise gewellt werden, daß ihr Außendurchmesser in einem Ausmaß verkleinert wird, das etwas größer ist als die durch das Aufbringen des Überzugs verursachte Vergrößerung des Durchmessers.light that the pipe sections that are provided with the coating are intended to be corrugated in such a manner that their outer diameter is reduced to an extent that somewhat is greater than the increase in diameter caused by the application of the coating.

Wenn die Wellungen auf eine solche Weise und mit solchen Abmessungen erzeugt werden, daß sie den bei der Anordnung verwendeten Fluden angepaßt werden, wird eine erhebliche Verringerung des thermischen Widerstandes an der Innenfläche der gewellten Rohrabschnitte erzielt.If the corrugations are created in such a manner and with such dimensions that they are the same as in the arrangement fluids used are adapted, there will be a considerable reduction in the thermal resistance on the inner surface of the corrugated pipe sections achieved.

Somit sind bei einem gemäß der Erfindung hergestellten Rohr nicht nur die Schwierigkeiten vermieden, die sich aus dem Verhältnis zwischen dem Rohrdurchmesser und dem Durchmesser der Öffnungen in den Rohrwänden ergeben, wodurch die Notwendigkeit des Ausführens von Aufweitungsvorgängen vermieden wird, sondern es wird auch eine vorteilhafte Verbesserung der Wärmeübergangseigenschaften auf der Innenseite des Rohrs erzielt, wobei es sich gezeigt hat, daß sich das Wärmeübertragungsvermögen des mit dem Überzug versehenen Rohrs insgesamt um den Faktor 2,5 verbessert.Thus, in a pipe produced according to the invention, not only are the difficulties avoided that arise from the ratio between the pipe diameter and the diameter of the openings in the pipe walls, eliminating the need of performing expansion operations is avoided, but it also becomes a beneficial improvement in the Heat transfer properties achieved on the inside of the tube, it has been shown that the heat transfer capacity of the tube provided with the coating improved by a factor of 2.5 overall.

Im allgemeinen kann man ein glattes Rohr mit zwischen glatten Abschnitten liegenden gewellten Abschnitten versehen, die jeweils eine einzige schraubenlinienförmige Wellung aufweisen, deren Ganghöhe gleich dem Rohrdurchmesser oder kleiner als der Rohrdurchmesser ist. Die Tiefe der Wellungen wird gewöhnlich so gewählt, daß das Verhältnis zwischen der Ganghöhe und der Tiefe im Bereich von 5:1 bis 25s 1 liegt.In general, a smooth pipe can be provided with corrugated sections lying between smooth sections, each of which has a single helical corrugation, the pitch of which is equal to or less than the pipe diameter than the pipe diameter. The depth of the corrugations is usually chosen so that the ratio between the pitch and the depth is in the range of 5: 1 to 25s 1.

Bei einer bestimmten Ausführungsform wurde ein Rohr aus der Kupferlegierung 192 mit einem Außendurchmesser von 25,4 mm und einer Y/andstärke von etwa 0,89 mm mit einer Wellung versehen, deren Ganghöhe 6,35 mm und deren Tiefe etwa 0,81 mm betrug. JSin Stück eines solchen Rohrs ist in Pig. I in einem verkürzten, jedoch nicht maßstäblich gezeichneten Längsschnitt dargestellt. Die Wellung ist hierbei in GestaltIn a particular embodiment, a copper alloy 192 tube with an outside diameter of 25.4 mm and a Y / and thickness of about 0.89 mm provided with a corrugation, the pitch of which is 6.35 mm and its depth about Was 0.81 mm. JSin piece of such a pipe is in Pig. I in an abbreviated but not drawn to scale Longitudinal section shown. The corrugation is here in shape

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einer einzigen schraubenlinienförmigen Wellung ausgebildet, deren Ganghöhe im vorliegenden lall einem Yiertel des Rohrdurchmessers entspricht. Die Tiefe der Wellung ist bei dieser Ausführungsform so gewählt, daß sich für das "Verhältnis zwischen der Ganghöhe und der Tiefe der Wert 8 ergibt. Die auf den bzw. jeden gewellten Rohrabschnitt aufgebrachte poröse Siedefläche hat eine Dicke von etwa 0,38 mm, und der Außendurchmesser jedes mit dem Überzug versehenen Abschnitts beträgt etwa 24,9 mm. Da die glatten Abschnitte einschließlich der Bndabschnitte 12 und 14 und des bzw. jedes mittleren glatten Abschnitts 16 einen Außendurchmesser von genau 25,4 mm haben, läßt sich das erfindungsgemäße Rohr leicht in die Rohrwand eines Kühlers einbauen.a single helical corrugation formed, their pitch in the present lall a quarter of the pipe diameter is equivalent to. The depth of the corrugation is chosen in this embodiment so that for the "ratio between the pitch and the depth result in the value 8. The porous applied to the or each corrugated pipe section Boiling area has a thickness of about 0.38 mm and the outside diameter of each coated section is about 24.9 mm. As the smooth sections including the strap sections 12 and 14 and the or each middle smooth Section 16 have an outer diameter of exactly 25.4 mm, the pipe according to the invention can easily be inserted into the pipe wall install a cooler.

Untersuchungen, die an typischen, mit einem Überzug versehenen Rohren durchgeführt wurden, bei denen die den Überzug tragenden Abschnitte nicht gewellt waren, und bei denen das poröse Siedeflächenmaterial auf glatte Rohrabschnitte aufgebracht war, deren Außendurchmesser ebenso groß war wie der Außendurchmesser der Endabschnitte und der nicht mit einem Überzug versehenen Zwischenabschnitte, ergaben unter bestimmten Bedingungen einen thermischen Widerstandswert von 0,00179 hr/°F/Quadratfuß/britische Wärmeeinheit, ^enn man das beschriebene Wellungsverfahren anwendet, um den Durchmesser der einen Überzug tragenden Abschnitte zu verkleinern, so daß man ein Erzeugnis der in Fig. 1 gezeigten Art erhält, ergibt sich unter den gleichen Bedingungen wie bei dem vorstehenden Beispiel ein thermischer Widerstandswert von 0,000726 hr/°]?/Quadratfuß/britische Wärmeeinheit. Aus der vorstehenden Beschreibung ist somit ersichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Rohrmaterial nicht nur die auf den Durchmesser zurückzuführenden Schwierigkeiten beseitigt sind, sondern daß auch der gesamte thermische Widerstand im Vergleich zu einem glatten, jedoch mit einem Uberaug versehenen Rohr uu den sehr erheblichen Faktor von 2,5 verringert wird.Studies conducted on typical lined tubes where the liner sections were not corrugated and where the porous boiling sheet material was applied to smooth tube sections the outside diameter of which was the same as the outside diameter of the end sections and which were not with a coating intermediate sections provided, revealed under certain conditions, a thermal resistance value of 0.00179 hr / ° F / ft / British thermal unit, ^ hen applying the corrugating described, transmitted to the diameter of a coating portions to shrink, so that a 1, under the same conditions as in the previous example, a thermal resistance value of 0.000726 hr / °] Ω / square feet / imperial heat unit is obtained. From the above description it can be seen that in the case of the pipe material according to the invention not only the difficulties due to the diameter are eliminated, but also that the entire thermal resistance compared to a smooth but over-eyed pipe uuuuuu the very considerable factor of 2 , 5 is decreased.

Ansprüche:Expectations:

I 0 9 B 5 1 / 1 5 5 5I 0 9 B 5 1/1 5 5 5

Claims

EXPECTATIONS

Heat transfer tube, which serves to bring a liquid in contact with its outer surface to the boil thereby, that on them heat from a fluid flowing through the pipe is transmitted, which can be built into heat exchanger tube bundles,

fixed "

by having its end sections / m the openings of a tube sheet built in, e.g. rolled in, and the outer surface of which is partially provided with a porous boiling surface coating is, characterized in that the tube has smooth end sections (12, H) and between these end sections comprises a corrugated portion which is provided on its outside with the porous boiling surface coating (20) and the same Outside diameter including this coating not larger, preferably smaller than the outside diameter of the smooth end sections is·

2 ο tube according to claim 1, characterized in that the tube between its end sections (12, 14) comprises a smooth section (16) which is separated from the end sections by corrugated sections, and that this intermediate section has the same outer diameter as the end abs cuts _o

3. Tube according to claim 1 or 2, characterized in that the corrugated section with a single helical corrugation is provided.

4. Tube according to one of claims 1 to 3, characterized in that the pitch of the corrugation is the same the diameter of the smooth pipe sections (12, 14, 16) or smaller than this diameter.

10 II

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5. Tube according to one of claims 1 to 4, characterized in that the depth of the corrugation is chosen is that the value of the ratio between the pitch and the depth is between 5: 1 and 25: 1.

6. A method for producing a heat transfer tube from smooth tube material, thereby ge.kennzeichne t that a portion or more portions of the pipe lying between the ends of the pipe are corrugated, wherein the end portions of the pipe maintain their smooth shape, so that this vial is carried out so that the outer diameter of the corrugations is noticeably smaller than the outer diameter of the smooth pipe ends, and that a coating of one porous boiling surface material is provided only on the or each corrugated section of the tube of such a thickness that that the overall outer diameter of the or each corrugated section provided with the coating is smaller than the outer diameter ehmess er · the smooth pipe sections.

7 · The method according to claim 6, characterized in that the pipe with several between its Ends lying corrugated sections is provided, which are separated by smooth sections which have the same outer diameter like the smooth end sections.

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