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Fertigung von Rohren mit topografischen Innenstrukturen

Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscher-Rohren mit beliebig komplexen topografischen Innenstrukturen für einen höheren Wärmeübergang durch Turbulenzsteigerung.

Eine komplexe Innenstrukturierung von Metallrohren – hier punktuell angebundene Flügelprofile – ist durch konventionelle Verfahren nur begrenzt realisierbar. (Bild: Heiko Neuberger / KIT)

Beim Prinzip des Wärmetauschers wird Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen. Sie kommen nicht direkt miteinander in Berührung, sondern werden aneinander vorbeigeführt. In der Regel werden dazu flüssige als auch gasförmige Fluide durch Rohre geleitet. Die Wärmeübertragung findet über die Rohrwand statt. Das Prinzip kommt neben Wärmetauschern z.B. auch in Kesseln, Wärmespeichern oder Solarreceivern zum Einsatz.

Stand der Technik

Werden Oberflächenstrukturen in die Innenwand von Wärmetauscher-Rohren eingebracht, kann das Strömungsverhalten des Fluids so beeinflusst werden, dass die entstehenden Turbulenzen den Wärmeübergang erhöhen. Gängige Fertigungstechniken strukturieren das Rohr etwa durch Umformprozesse oder von innen per Laserstrahl bzw. mit Werkzeugen zur mechanischen oder elektrochemischen Bearbeitung. Sie stoßen mit sinkendem Rohrdurchmesser und steigender Rohrlänge bei komplexen Geometrien der Innenstrukturierung an Grenzen.

Technologie

Forschende des Instituts für Thermische Energietechnik und Sicherheit (ITES) und des Instituts für Neutronenphysik und Reaktortechnik (INR) am KIT haben eine Verfahrenskombination zur Herstellung von Rohren aus metallischen Werkstoffen mit beliebig komplexen Innenstrukturen und nahtloser drucktragender Außenwand entwickelt. Zunächst werden die gewünschten Oberflächenstrukturen mit kostengünstigen Techniken wie Stanzen, Prägen oder Laserschneiden in Bleche eingebracht. Diese werden dann zu Ringen oder Schalensegmenten geformt und zu einer Rohr-Innenhülle zusammengesetzt. Mittels Kaltgasspritzverfahren wird das Material für den eigentlichen Rohrkörper in Metallpulverform additiv von außen mit sehr hoher Geschwindigkeit auf die Innenhülle aufgebracht. Im Gegensatz zu anderen Beschichtungsverfahren für Metalle bildet sich ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen des Materials beim Aufprall eine dichte und fest haftende Schicht. So entsteht ein verzugsfreier Rohrkörper.

Vorteile

Das neue Herstellungsverfahren ermöglicht die wirtschaftliche Realisierung beliebig komplexer Rohr-Innenstrukturen durch Verwendung von Massenfertigungstechniken bei rationellem Materialeinsatz. Durch den höheren Wärmeübergang ist die notwendige Fläche zur Wärmeübertragung kleiner. Rohrlängen und Durchmesser werden reduziert. Die Heizflächentemperatur wird abgesenkt, was die Lebensdauer der Komponenten verlängert.

Optionen für Unternehmen

Das KIT sucht Partner aus der Energiebranche, dem Heizungs- oder Anlagenbau für Kooperationen zur anwendungsspezifischen Umsetzung und Optimierung des Verfahrens.

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Ihr Ansprechpartner für dieses Angebot

Jan-Niklas Blötz
Innovationsmanager Neue Materialien und Gesundheitstechnologien
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Innovations- und Relationsmanagement (IRM)
Telefon: +49 721 608-26107
E-Mail: jan-niklas.bloetz@kit.edu
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