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Rohrförmiges Wärmetauscherelement
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Es ist zwar bekannt, in dem Hohlraum zwischen den inneren Rippen einen besonderen, am Einströmende geschlossenen und am Ausströmende offenen Innenkörper anzubringen, der das axial strömende Heizgas auf die Räume zwischen den Rippen abdrängt. Ein solcher eingeschobener Innenkörper steht aber nicht in unmittelbarer wärmeleitender Verbindung mit den Rippen, so dass er die auf ihn übertragene Wärme am offenen Ende ungenutzt in den Rauchgaszug abgibt, statt sie auf die Rippenenden und durch die Rippen hindurch auf den Rohrmantel des Wärmetauschers zu übertragen. Auch sind bei den vorgenannten bekannten Konstruktionen die Rippen mit dem Rohrmantel durch Weichlöten verbunden.
Das Weichlöten lässt sich aber bei der erforderlichen dichten Anordnung der Rippen mangels Platz innerhalb des Rohrman-
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tauscher der vorgenannten Art sind daher auch nur für geringe Wassertemperaturen bestimmt, wie sie für
Badeöfen und ähnliche Durchlauferhitzer gegeben sind. Bei höheren Wassertemperaturen, z. B. bei Kes- seln, ist die eingangs genannte einstückige Fertigung notwendig, um grosse Wärmemengen einwandfrei auf den von der Flüssigkeit bespülten Rohrmantel übertragen zu können.
Ferner ist ein Wärmetauscher für Flüssigkeiten bekannt, der aus einem wasserdurchflossenen Kanal und einem mit diesem wärmeleitend verbundenen ringförmigen Rippenkörper mit zylindrischen Aussen- flächen gebildet ist, dessen Rippen aus einem mit knickartigen Richtungsänderungen versehenen wellen- förmigenBlechstreifen gebogen sind und zwischen einander freie Durchflusskanäle für die Heizgase bilden.
Dabei berühren sich die Knickkanten des Blechstreifens an den Aussenflächen des ringförmigen Rippenkör- pers und sind hier metallisch miteinander verbunden.
Auf diese Weise lässt sich aber die für hohen Wärmeübergang erforderliche Rippenzahl innerhalb des durch die abgebogenen Blechstreifen gebildeten äusseren Rohrmantels nicht herstellen, ohne dass für die
Verbindung der innenliegenden Knickstellen des Blechstreifens miteinander zu einem gasdichten Innen- mantel die gleichen Schwierigkeiten wie bei den vorgenannten bekannten Konstruktionen auftreten.
Die Erfindung behebt die Nachteile der bekannten Bauweisen dadurch, dass die in der eingangs ge- nannten, an sich bekannten Art mit den Mantelstreifen des Rohrmantels in einem Stück verbundenen Rippen selbst in Verbindung mit den Mantelstreifen axiale Durchströmungsräume für das Medium lediglich ausserhalb eines axialeninnenraumes bilden, der dadurch gegen Einströmen dieses Mediums praktisch abgeschlossen ist, dass die Längskanten der inneren, gegebenenfalls abgewinkelten Enden der entsprechend nahe beieinanderliegenden Rippen die benachbarten Rippen in an sich bekannter Weise berühren oder nahezu berühren, und dass an der Eintrittsseite und vorzugsweise auch an der Austrittsseite des gasförmigen Mediums auf die inneren Rippenenden eine die Stirnfläche bzw.
-flächen des axialen Hohlraums verschliessende Kappe aus gegen dieses Medium beständigem Werkstoff aufgesetzt ist.
Auf diese Weise wird das gasförmige Medium auf die zwischen den Rippen gelegenen axialen Durchströmungsräume abgedrängt. Es muss dann die Gesamtheit des gasförmigen Mediums durch diese Strömungsräume hindurchgehen und an den durch die'Rippen und denRohrmantel gebildeten Wärmeaustauschflächen entlangströmen. Der Wärmeaustausch wird dann wesentlich verbessert, ohne dass es erforderlich ist, die inneren Rippenenden miteinander zu verschweissen.
Die Erfindung ist auf allen Gebieten des Wärmeaustausches anwendbar, gleichviel, ob der Wärmeaustausch vom inneren gasförmigen Medium an das äussere flüssige Medium verläuft oder umgekehrt. Das erfindungsgemässe Wärmetauscherelement kann für sich allein verwendet, oder es kann eine Vielzahl solcher Elemente innerhalb eines Wärmetauschers, z. B. innerhalb eines von dem'flüssigen Medium in beliebiger Weise durchströmten Gehäuses verwendet werden.
Für Beheizungszwecke kann das erfindungsgemässe Wärmetauscherelement die Verlängerung eines rippenlosen Rohrteils bilden, in den die Heizgase eines Gas- oder Ölbrenners einströmen. Bei dieser Ausführungsform wird das mit Innenrippen versehene Wärmetauscherelement und gegebenenfalls auch seine rippenlose Verlängerung in ein äusseres Rohr grösseren Durchmessers eingebracht, das zwischen sich und demlnn ; enrohr einen Raum zum Aufnehmen des flüssigen, zu erhitzenden Mediums bildet. Auf diese Weise ergibt sich ein einfacher Flammrohrkessel, der als Heizkessel für Warmwasser oder Dampfbeheizung von Wohnräumen oder ganzen Häusern dienen kann.
Ein anderes Anwendungsgebiet für das erfindungsgemässe Wärmetauscherelement ist seine Ausgestaltung als Kühler, z. B. als Kühler für ein Kraftfahrzeug. Auch in diesem Falle wird'das innen mit Rippen versehene Mantelrohr in ein Aussenrohr grösseren Durchmessers eingebaut. Der zwischen den beiden Rohren gebildete Raum nimmt in diesem Falle die zu kühlende Flüssigkeit, z. B. das Kuhlwasser des Kühlwasserumlaufs eines Motors, auf, während das mit Rippen versehene Innenrohr von der Kühlluft durchströmt wird. Die dabei erwärmte Luft kann dann sehr einfach zu Beheizungszwecken, z. B. zur Beheizung des Kraftfahrzeuges, verwendet werden.
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Die erfindungsgemässe Berührung. derLängskanten der inneren Enden der Rippen des erfindungsgemässen
Rohres kann auf zwei Wegen erreicht werden : Verwendet man glatte Bleche als Rippen, so können diese so zahlreich und/oder mit solcher radialer Höhe angebracht werden, dass ihre inneren Enden sich berüh- ren. Diese Ausführung wäre unzweckmässig im Falle eines Rohres von grossem Durchmesser und bei ver- hältnismässig geringer Rippenzahl ; denn dann würden sich zu hohe Rippen ergeben, und die zur Mitte des
Rohres zu gelegenen Rippenteile würden nur noch wenig zum Wärmeübergang beitragen. Für diesen Fall geht die Erfindung den Weg, dass die inneren Enden der Rippen durch Profilierung verbreitert werden, wo- bei dann die Längskanten der verbreiterten Profile einander berühren.
Bei einer Ausführungsform dieser
Art können die Rippen an ihren beiden Enden in je einen etwa tangential zur radialen Richtung verlaufen- den Flansch abgebogen sein und diese Flansche mit dem radialen Rippenteil je ein U-förmiges, einstük- kiges Profil bilden, dessen aussenliegender Schenkel den Rohrmantelstreifen und dessen innenliegender
Schenkel mit den entsprechenden Schenkeln der andern Rippen einen mindestens nahezu geschlossenen
Mantel um den axialen Hohlraum herum bilden.
Statt dessen können die Rippen in einem Stück mit je einem an ihren beiden Enden angesetzten Querflansch ein Doppel-T-Profil (I-Profil) bilden, dessen äusserer Flansch den Rohrmantcistrelfen und dessen innerer Flansch mit den entsprechenden Flanschen der andern Rippen wiederum einen mindestens nahezu geschlossenen Mantel um den axialen Hohlraum herum bilden.
Statt solcher Profilausbildung können die inneren Rippenenden auch mit verdickter Wandstärke aus- laufen und sich mit ihren verdickten freien inneren Teilen berühren.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung kommt es nicht darauf an, dass die sich berührenden Längs- kanten der Rippen einen gasdichten Abschluss des axialen Hohlraumes herstellen ; es genügt vielmehr, dass der durch die vordere Kappe des Hohlraumes nach dessen Aussenseite hin abgelenkte Gasstrom im wesent- lichen gehindert ist, den axialen Hohlraum zu durchströmen.
Nachstehend werden an Hand der Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispiels- weise und schematisch dargestellt, u. zw. zeigt Fig. 1 im Längsschnitt eine Ausführungsform des Wärme- tauscherelements für beliebige Warmeaustauschzwecke, Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-A der Fig. 1, Fig. 3 im Längsschnitt eine von Fig. 1 abgeleitete Ausführungsform, bei der das Wärmetauscher- element als Flammrohrkessel ausgebildet ist ; die Fig. 4-6 zeigen je einen Querschnitt nach Linie A-A in den Fig. 1-3 für verschiedene Ausführungsformen der an den inneren Enden mit Flanschen versehenen Rip- pen, die bei der Ausführung nach Fig. 1 oder 3 oder 7 anwendbar sind ;
Fig. 7 zeigt Im Längsschnitt eine
Ausbildung des erfindungsgemässen Wärmetauscherelementes als Kühler, und die Fig. 8-10 zeigen je einen
Schnitt nach Linie B -B in Fig. 7 für verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der Verbindung der Rippen mit den Mantelstreifen des berippten Innenrohres, die bei einer Ausführung nach Fig. 1 oder 3 oder 7 an- wendbar sind, wobei der Schnitt B-B nur durch das Innenrohr gelegt und das Aussenrohr weggelassen ist.
In den Fig. l und 2 ist das Wärmetauscherelement in seiner einfachsten Form gezeigt, in der es ein- zeln für sich oder in beliebiger Anzahl in einen mit dem flüssigen Medium gefüllten (nicht gezeichneten)
Behälter oder von diesem durchströmten Behälter so eingebaut werden kann, dass die Zufuhr des gasför- migen Mediums in den Innenraum des Wärmetauscherelements in üblicher Weise getrennt von dem FlUs- sigkeitsraum vor sich geht. Das gasförmige Medium kann dabei das heissere Medium sein und die äussere
Flüssigkeit beheizen, oder es kann umgekehrt das kühlere Medium sein und zur Abkühlung des äusseren flüssigen Mediums dienen.
Das Wärmetauscherelement nach den Fig. 1 und 2 ist als Ganzes mit 1 bezeichnet und besteht aus einem Rohr, das durch Längsschweissnähte 4 aus Mantelstreifen 3a zusammengesetzt ist. Jeder der Mantel- streifen 3a bildet mit je einer Rippe 2 und je einem tangential abgewinkelten Flansch 5a einU-Profil. Die
Profilflansche 5a benachbarter Rippen 2 berühren sich mit ihren Längskanten und bilden einen ganz oder nahezu geschlossenen Mantel um den Hohlraum 6 herum. Der Hohlraum 6 ist am einen Ende mit einer Blechkappe 7 und am andern Ende mit einer Blechkappe 8 verschlossen ; die Kappen sind an die Mantelstreifen 5a angeschweisst und ragen in Stromlinienform vor diese vor.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist das Wärmetauscherelement als Flammrohrkessel ausgebildet.
In diesem Falle wird das Element nach Fig. 1 als Teil des Innenrohres innerhalb eines Aussenrohres 15 verwendet, wobei für diesen mit Rippen versehenen inneren Rohrteil 1 die gleichen Bezugszeichen wie nach Fig. 1 gelten.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 geht ferner der mit Rippen 2 versehene Rohrteil l In einen in Strömungsrichtung vor ihm liegenden, nicht mit Rippen versehenen Rohrteil 10 über. an dessen Eintritts- öffnung ein Öl-oder Gasbrenner 11 angebracht ist, dessen Flammen 12 in den Innenraum des Rohrteiles 10 hinein gerichtet sind. Die in Pfeilrichtung 9 strömenden Heizgase werden von der Kappe 7 abgelenkt, so dass sie sämtlich die zwischen den Rippen 2 gebildeten Räume 13 durchströmen müssen, wonach sie das Rohr 1 durch den Kaminanschlussstutzen in den Schornstein verlassen.
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Die Rohrteile 1 und 10 werden von dem Aussenrohr 15 umgeben, das an seinen Enden mit dem Rohr- teil 10 bzw. dem Rohrteil1 verbunden ist und einen Raum 16 zur Aufnahme von Wasser bildet. Das Was- ser wird durch denssohrstutzen 17 zugeführt und durch den Rohrstutzen 18 abgeführt. Wie ersichtlich, wird die Wärme der Heizgase auf dieses Wasser längs der Wandung der Rohrteile 1 und 10 übertragen, u. zw. zum grössten Teil ausgehend von den Rippen 2 des Rohrteiles 1.
Die Querschnitte nach den Fig. 4-6 sind Querschnitte nach Linie A-A in Fig. 3, die als unterschiedliche Ausführungen wahlweise anwendbar sind.
Gemäss den Fig. 4-6 bilden die Rippen 2 ein ProfilstUck mit jeweils einem Mantelstreifen 3 des Rohres l. Die Mantelstreifen sind durch Schweissnähte 4 miteinander verbunden, die in Längsrichtung des Rohres 1 verlaufen. An ihren inneren Enden sind die Rippen zu querstehenden Profilflanschen 5 ausgebil- det. Die Längskanten dieser Profilflansche berühren sich nahezu und bilden um die Rohrachse herum einen gegen Gaszutritt ganz oder nahezu geschlossenen radialen Hohlraum 6. Die Vorderseite dieses Hohlraumes ist gegen den Gaszutritt durch eine feuerfeste Kappe 7 abgeschlossen. Das hintere Ende des Hohlraumes 6 ist mit einer Metallkappe 8 verschlossen.
Die Kappe 7 verjüngt sich entgegen der mit 9 bezeichneten Strömungsrichtung in Stromlinienform bzw. kegelartig, während die Kappe 8 sich in der Strömungsrichtung 9 in gleicher Weise verjüngt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 bildet, ähnlich wie in Fig. 2, je eine der Rippen 2 mit je einem der Mantelstreifen 3a und einer inneren Abwinklung 5a ein U-Profil. Die freien Enden der Mantelstreifen 3a sind durch die Schweissnähte 4 mit den Abkantungen des benachbarten U-Profils verbunden. Die freien Enden der Flansche 5a liegen ganz oder nahezu an den Abwinklungskanten des benachbarten UProfils an.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 bilden die Rippen 2 die Stege eines Doppel-T-Profils (I-Profils), u. zw. ist der Aussenflansch 3b dieses Profils jeweils ein Mantelstreifen des Rohres 1. Der innere Flansch 5b des Profils liegt mit seinen Längskanten an den Längskanten der benachbarten Innenstege ganz oder nahezu an.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 bilden die Rippen 2 mit den Mantelstreifen 3c und den inneren Flanschen 5c ein von einem Doppel-T-Profil abgewandeltes Profil, derart, dass zwischen den einzelnen Profilen ein kreisförmiger Querschnitt gebildet wird. Dieser hat gegenüber dem rechteckigen Querschnitt nach Fig. 4 den Vorzug, sich leichter reinigen zu lassen.
Die Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 7 zeigt die Verwendung des Wärmetauscherelementes für Kühlzwecke, u. zw. beispielsweise für die Kühlung des Kühlwasserumlaufs eines Kraftfahrzeuges, wobei die Kühlluft zur Wagenbeheizung verwendet werden kann.
Das den Hauptteil des Wärmetauscherelements bildende Innenrohr 1a ist bei dieser Ausführungsform mit aus glatten Blechen bestehenden Innenrippen 2a versehen, die an den inneren Enden nicht mit Flan- schen versehen bzw. nicht abgewinkelt sind. Das Innenrohr la ist von einem Aussenrohr 15a grösseren Durchmessers umgeben, das einen Wasserraum 16a bildet. Das zu kühlende Wasser strömt durch einen Stutzen 17a zu und wird durch einen Stutzen 18a abgeführt.
Die Rippen 2a sind in solcher Anzahl und mit solcher Länge vorgesehen, dass sie sich an ihren inneren freien Enden gemäss einer der Ausführungsarten nach den Fig. 8-10 gegenseitig berühren und einen praktisch geschlossenen Mantel um den axialen Hohlraum 6 herum bilden. Am Vorderende ist dieser Hohlraum durch eine Kappe 7a und am hinteren Ende durch eine Kappe 8a verschlossen, von denen die erste sich entgegen der Strömungsrichtung 9a und die zweite sich in Strömungsrichtung stromlinienförmig verjüngt. Die Kappen sind als Vollkörper. z. B. aus Metall, dargestellt, können aber auch einfache Blechkappen sein. Die z.
B. inFörm des Fahrtwindes in Richtung des Pfeiles 9a in den Innenraum des Rohres la eintretende und zu kühlende Luft durchströmt die Hohlräume zwischen den Rippen und gelangt über einen Anschlussstutzen 19, der an das Rohr la angesetzt ist, in ein mit diesem Stutzen verbundenes Gehäuse eines Ventilators 20, der z. B. von dem Motor, dessen Kühlwasser den Raum 16a durchströmen kann, über eine Riemenscheibe 21 und eine Welle 22 angetrieben wird. Der Ventilator übt eine Saugwirkung auf die in das Rohr la einströmende Luft aus und befördert diese in ein an sein Gehäuse angeschlossenes Abgangsrohr 23, das in das Wageninnere führt.
Die Verbindung der Rippen 2a mit den Mantelstreifen, aus denen das Rohr la zusammengesetzt ist, kann nachBedarf unterschiedlich gemäss einer der Ausführungsformen nach den Fig. 8-10 gewählt werden.
Nach Fig. 8 bilden die Rippen 2a mit den bei 4 miteinander verschweissten Mantelstreifen 3d ein einstük- kiges Winkelprofil.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 ist in einem Stück mit je einem Mantelstreifen Se und einer zugehörigen Rippe 2a je ein T-Profil gebildet. Die bei 4 miteinander verschweissten Mantelstreifen bilden
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wieder einen Rohrmantel la und die inneren Enden der benachbarten Rippen 2a berühren sich ganz oder nahezu.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 sind von jedem Mantelstreifen 3f je zwei Rippen 2a abgebogen.
Die Rippen sind paarweise gegeneinander abgekröpft. Auf diese Weise wird, abweichend von den Ausführungen nach den Fig. 8 und 9, nicht für jede Rippe eine Schweissnaht 4, sondern nur für jede zweite Rippe eine Schweissnaht 4 benötigt.
Die in den Fig. 8-10 gezeigten Gestaltungen der Rippen und Verbindungen der Rippen mit den Man- telstreifen können selbstverständlich auch für eine der Fig. 3 entsprechende Ausführungsform des Wärme- tauschers als Kessel oder für sonstige Wärmeübergangszwecke und auch für die Ausführung nach den Fig. 1 und 2 verwendet werden, wobei im letzteren Falle das Aussenrohr 15 entfällt und statt dessen irgendeine andere äussere Umhüllung zur Aufnahme des flüssigen Mediums vorgesehen ist. Umgekehrt können die
Rippenausführungsformen nach den Fig. 4-6 im Bedarfsfall auch für die an Hand von Fig. 7 dargestellten
Kühlzwecke verwendet werden.
Ferner kann die in den Fig. l, 2 und 3 als aus feuerfestem Werkstoff beste- hend dargestellte Kappe 7 selbstverständlich auch aus Blech oder anderem Werkstoff hergestellt werden, wenn der Werkstoff die Temperatur des gegen sie anströmenden Gases aushält.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Rohrförmiges Wärmetauscherelement für den Wärmeaustausch zwischen einem durch sein Inneres in Längsrichtung strömenden gasförmigen Medium und einem an seiner Aussenseite befindlichen flüssigen
Medium, wobei der Rohrmantel zumindest auf einen Teil seiner Länge aus einer Vielzahl von Längsstrei- fen mittels von aussen an diesen angebrachter Schweiss- und Hartlötnähte zusammengesetzt ist, und in einem Stück mit den Mantelstreifen an diesen mindestens je eine nach innen abstehende Längsrippe an- setzt, die mit dem zugehörigen Mantelstreifen im Querschnitt ein einstückiges Profil, z. B.
Winkelpro- fil, bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (2, 2a) selbst in Verbindung mit den Mantelstreifen axiale Durchströmungsräume für das gasförmige Medium lediglich ausserhalb eines axialen Innenraums (6) bilden, der dadurch gegen Einströmen dieses Mediums praktisch abgeschlossen ist, dass die Längskanten der inneren, gegebenenfalls abgewinkelten Enden der entsprechend nahe beieinander liegenden Rippen (2,
2a) die benachbarten Rippen in an sich bekannter Weise berühren oder nahezu berühren, und dass an der
Eintrittsseite und vorzugsweise auch an der Austrittsseite des gasförmigen Mediums auf die inneren Rip- penenden eine die Stirnfläche bzw. -flächen des axialen Hohlraums (6) verschliessende Kappe (7, 7a, 8, 8a) aus gegen dieses Medium beständigem Werkstoff aufgesetzt ist.