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Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschelementen und hiebei verwendete Drahtwendel sowie Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauschelemente, die aus einem Metallrohr und einer in schraubenförmigen Windungen auf dessen Oberfläche aufgelegten Drahtwendel bestehen, die mit einem abgeflachten Teil jeder ihrer Drahtwindungen auf der Oberfläche des Rohres durch Abschmelzen eines ebenfalls inSchraubenwindungen auf dieRohroberflächeaufgelegten Lotdrahtes befestigt und dadurch metallisch mit dem Rohr verbunden ist. Im einzelnen sind Gegenstand der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschern dieser Art sowie für solche Wärmeaustauscher geeignete Drahtwendeln, diesich auf einfache Weise auf den Oberflächen von Austauscher-Rohren u. dgl. sicher befestigen lassen.
Es ist bekannt, bei der Herstellung von Wärmeaustauschelementen der genannten Art den zum Befestigen der Drahtwendel auf dem Rohr dienenden Lotdraht neben der Drahtwendel schraubenförmig auf das Rohr aufzuwickeln, wobei das Rohr in die zum Aufwickeln erforderliche Drehbewegung versetzt und ein die Drahtwendel und den Lotdraht nachliefernder längsbeweglicher Schlitten parallel zur Rohrachse vorgeschoben wird. Die bekannte Anordnung des Lotdrahtes neben der Drahtwendel führt zu einer schlechten Lötve. 1'- bindung, weil das erweichte Lot nicht in die Zwischenräume zwischen den meist sehr eng auf dem Rohr nebeneinander liegenden Drahtwindungen der Drahtwendel hineinfliesst.
Hinzu kommt, dass bei dem bekannten Verfahren auch die nicht von der Drahtwendel überdeckten Teile der Rohroberfläche mit einer Lotschichtüberzogen werden, dieeinesich über die ganze Rohrlänge erstreckende Aufhärtung und Versprödung des an sich biegsamen, meistens aus Kupfer bestehenden Rohres ergibt. Eine solche sich über das ganze Rohr erstreckende Aufhärtung und Versprödung setzt die Biegsamkeit des mit der Wendel besetzten Rohres wesentlich herab ; es vergrössert daher die Gefahr des Einknickens des Rohres beim Biegen und führt zu einer weiteren Verschlechterung der Verbindung zwischen Rohr und Drahtwendel an den Knickstellen.
Man hat deshalb schon versucht, durch Aufrauhen, z. B. Rändeln, der dem Rohr zugewendeten Windungsteile der Drahtwendel oder derRohroberfläche einehaltbarere Verbindung zu erreichen. Zu praktisch befriedigenden Ergebnissen ist man aber auch dabei nicht gekommen.
Das einen Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschelementen der eingangs genannten Art weist die vorerwähnten Nachteile nicht auf und ergibt Wärmeaustauscher mit besonders haltbar auf das Rohr aufgelöteter Drahtwendel, bei denen ein guter Wärmeübergang zwischen Rohr und Drahtwendel gewährleistet ist und die sich leicht selbst um kleine Radien biegen lassen. Diese Vorteile werden gemäss der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, dass die Drahtwendel mit an der Auflageseite am Rohr konkav gebogenen Teilen ihrer Drahtwindungen unter Zwischenschaltung eines aus Lot bestehenden oder Lot enthaltenden Bandes, dessen Breite etwa der der Drahtwendel entspricht, mit dem Rohr verbunden wird.
Das Lotband liegt also mit breiten Flächen zwischen dem Rohr und der Wendel und beim nachfolgenden Erwärmen gelangt das flüssig gewordene Lot auf kürzestem Wege unmittelbar an die miteinander zu verlötenden Teile. Vorteilhaft wird der Lotstreifen vor dem Aufwickeln auf das Rohr an wenigstens einer seiner Oberflächen mit Einkerbungen versehen und durch ein Flussmittelbad hindurchgeführt, in dem die Einkerbungen mit einem reichlichen Vorrat an Flussmittel angefüllt werden.
Die mit demHerstellungsverfahren nach der Erfindung erreichte besonders feste Verbindung zwischen Rohr und Drahtwendel und der dadurch bewirkte gute Wärmeübergang zwischen beiden haben ihren Grund
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vor allem darin, dass die dem Rohr zugewendeten Windungsteile der Drahtwendel infolge ihrer leicht kon- kaven, d. h. gegen das Innere der Wendel gerichteten Krümmung vornehmlich auf den Längsrändern des
Lotstreifens aufsitzen und dazwischen mit der Rohroberfläche einen engen Spalt bilden, der auf das Lot einesolche Kapillarwirkung ausübt, dass dieses vornehmlich an den konkaven Krümmungsstellen der Draht- windungen gesammelt wird und nach dem Erkalten eine innige, vergleichsweise grossflächige metallische
Verbindung zwischen Wendel und Rohroberfläche herstellt.
Diese Wirkung wird durch, das in den Ein- kerbungen des Lotbandes in reichlicher Menge festgehaltene Flussmittel noch unterstützt. Darüber hinaus bringt die konkave Krümmung der dem Rohr zugewendeten Drahtwindungsteile den Vorteil, dass das flüs- sige Lot an den Verbindungsstellen festgehalten wird und nicht auf die von der Drahtwendel nicht über- deckten Teile der Rohroberfläche abfliessen kann. Das Rohr wird daher nur im Zuge der Robrwendel aufgehärtet und in wünschenswerte Weise versteift, bleibt aber im Zuge des schraubenförmig über die Länge des Rohres verlaufenden Zwischenraumes zwischen den Wendelwindungen lotfrei und behält dort seine ur- sprünglicheBiegsamkeit.Das mit der Wendel besetzte Rohr lässt sich infolgedessen auch um kleine Radien biegen, ohne dabei einzuknicken.
Die erfindungsgemässe Herstellung von Wärmeaustauschern lässt sich wesentlich vereinfachen und beschleunigen, wenn man nach einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Drahtwendel verwendet, deren konkav gebogene Drahtwindungsteile mit einem biegsamen bandförmigen metallischen Träger fest, z. B. durch Löten oder Schweissen, verbunden sind. Eine derart vorbereitete Drahtwendel lässt sich leichter und fester in schraubenförmigen Windungen auf eine Rohrfläche aufbringen, als die in allen Richtungen nachgiebige und schon bei geringem Zug sich längende einfache Drahtwendel. Nach dem Auflegen der mit dem Band verbundenen Wendel braucht dann nur noch das der Rohrwand'anliegende Trägerband mit dem Rohr verlötet zu werden.
Zu diesem Zweck kann zwischen Trägerband und Rohr ein Lotband eingefügt sein, es kann aber auch das Trägerband an der dem Rohr zugekehrten Seite mit Lot überzogen sein und damit zugleich die Aufgabe des Lotbandes erfüllen.
Vorteilhafter ist es jedoch, wenn das zugleich als Träger für eine ausreichende, gleichmässig über seineLänge verteilteLotmenge dienende Trägerband mit Ausnehmungen, Durchbrechungen oder sonstigen Hohlräumen versehen ist, die mit Lot ausgefüllt sind ; dann kann nämlich auf ein Lotband oder eine Lotschicht auf dem Trägerband verzichtet werden und es besteht nicht die Gefahr, dass die Drahtwendel während des Auflötens auf einer Schicht von flüssigem Lot gewissermassen. schwimmt" und sich auf dieser Schicht aus der ihr gegebenen Lage verschiebt.
Es bleibt dann auch nicht nach dem Löten wie bei der Verwendung eines Lotbandes oder eines mit Lot beschichteten Trägerbandes zwischen Rohr und Trägerband eine Zwischenschicht aus erstarrtem Lot zurück, die den Wärmeübergang vom Rohr zur Drahtwendel am fertigen Wärmeaustauscher verschlechtert.
Als Trägerband eignet sich z. B. ein Metallstreifen, der mit sich abwechselnd von seinen beiden Rändern her bis über seine Mitte erstreckenden nach aussen offenen schlitzartigen Durchbrechungen versehen ist, die zur Aufnahme eines ausreichenden Lotvorrates dienen. Ein solches abwechselnd von seinen Rändern her genügend weit eingeschnittenes Trägerband lässt sich ausserdem vor dem Einbringen des Lots inLängsrichtung um ein gewisses Mass elastisch verformen, so dass z. B. das Band vor oder nach dem Verbinden mit der Wendel, aber vor dem Einbringen des Lots in die Durchbrechungen in Längsrichtung auf Zug vorgespannt werden kann.
Die Vorspannung im Trägerband, die durch den erstarrten Lotvorrat aufrechterhalten bleibt, bei Erweichen des Lots aber wieder frei wird, sorgt dann dafür, dass das Trägerband der kalt auf das Austauscher-Rohr aufgewickelten Wendel nach Erwärmen des Lots sich verkürzt und dabei besonders innig an die Rohrwand anlegt. Zugleich verhindert diese beim Erweichen des Lots freiwerdende Zugspannung jede Verlagerung der Wendel aus der ihr auf der Rohrwand gegebenen Lage während des Lötvorganges.
Das Trägerband kann mit Vorteil auch aus Drahtgewebe od-sr Drahtgeflecht mit schräg zu den Band- kanten verlaufenden Drahtfäden bestehen, das eine gute elastische Nachgiebigkeit in Längsrichtung hat und dessen Hohlräume z. B. durch Tränken des Bandes in einem flüssigen Lotbad mit einem ausreichenden Lot- vorrat ausgefüllt werden können. Die Nachgiebigkeit eines solchen Bandes kann durch die Wahl härteren oder weicheren Drahtes für das Gewebe oder Geflecht in weiten Grenzen beeinflusst werden. Schliesslich kann das Trägerband aus einem flachgedrückten Schlauch aus Drahtgewebe oder-geflecht bestehen, der unter noch aufzuzeigenden Umständen besondere Vorteile ergibt.
Drahtwendeln mit in Längsrichtung elastisch nachgiebigem Trägerband können auch in verkürztem Zustand mit Lot versehen sein. Dann wird beim Erweichen des Lots eine Schubspannung frei, unter der die Wendel sich zu längen strebt. Eine solche Wendel eignet sich zum Anbringen auf konkav gewölbten
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men der Wendel frei werdenden Schubspannung das Trägerband ebenso dicht und fest an die Rohrwand an, wie ein auf Zug vorgespanntes Trägerband einer auf die äussere Oberfläche eines Rohres aufgewickelten Wendel.
Bei der Anbringung einer Drahtwendel auf konkav gewölbten Flächen ergibt auch ein aus einem flachgedrückten Schlauch bestehendes und in diesem Zustand durch das eingebrachte Lot verfestigtes Trägerband besondere Vorteile. Bei einer solchen in kaltem Zustand an eine hohlgewölbte oder unregelmässige Fläche angelegten Wendel strebt nach Verflüssigung des Lots nämlich der Schlauch wieder seine runde Form anzunehmen, wobei er sich innig an die konkave oder sonstwie unebene Fläche anlegt und damit alle Zwischenräume zwischen dem Draht der Wendel und der unebenen Fläche überbrückt.
Im Gegensatz zu einer auf der äusseren Oberfläche eines Rohres anzubringende Wendel muss eine Drahtwendel, die auf einer konkaven Fläche befestigt werden soll, vor ihrer Verbindung mit dem Trägerband soweit gedehnt oder gereckt werden, dass die einzelnen Drahtwindungen einen Abstand erhalten, der nicht nur ein Verkürzen des Trägerbandes, sondern auch das Biegen der Wendel mit aussenliegendem, durch Lot verfestigtem und daher nicht dehnungsfähigem Trägerband um den jeweils gewünschten Radius zulässt.
Die Erfindung sei an Hand einiger in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungs-und Anwendungsbeispiele näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen Fig. 1 einen Abschnitt eines Wärmeaustauscher-Rohres 1 mit auf einen Teil seiner äusseren Oberfläche aufgewickeltem Lotband 2 und dar- über gewickelter Drahtwendel 4 mit den nur stellenweise angedeuteten Drahtwindungen 3 ; Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch einen Teil eines Wärrreaustauscherrohres 1, das unter Drehung um seine Achse an einer (nicht gezeichneten) Wärmequelle von rechts nach links vorbeibewegt wird und auf das teilweise ein Lotband 2 und darüber eine Drahtwendel 4 mit den Drahtwindungen 3 aufgewickelt sind und weiter
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Fig. 2.
Die Fig. 4 - 11 zeigen Beispiele für die Ausführung und Anwendung einer mit einem Trägerband verbundenen Drahtwendel.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, liegen die einzelnen Drahtwindungen 3 der mit leichter Zugspannung über das zuvor in schraubenförmigen Windungen auf dasRohr 1 aufgebrachteLotband 2 aufgewickelten Wendel 4 dem Lotband 2 und dem Rohr 1 mit konkav gewölbten Teilen 3'gegenüber. Die Drahtwindungen 3 sitzen also zunächst nur mit den Enden dieser gewölbten Windungsteile 3'auf dem Lotband 2 auf. Auf der der Drahtwendel 4 zugekehrten Seite ist das Lotband 2 mit Einkerbungen 5 versehen, die mit Flussmittel aufgefüllt sind, das das Band aus einem zuvor von ihm durchwanderten Flussmittelbad aufgenommen hat.
Mit zunehmender Erwärmung des mit Lotband 2 und Drahtwendel 4 versehenen Rohres 1 erweicht das Lot und dieDrahtwindungen 3 sinken unter der Zugspannung der Wendel 4 zunehmend in das aus dem Lotband 2 verflüssigte Lot ein, bis sie mit den Enden ihrer konkav gewölbten Teile 3'auf der Oberfläche des Rohres 1 aufsitzen. Dabei werden diese Windungsteile 3'allmählich nahezu völlig von Lot umschlossen.
Dieser Vorgang wird wesentlich dadurch unterstützt, dass die engen Spalten zwischen den Windungsteilen 3'und dem Lotband 2 durch Kapillarwirkung flüssiges Lot auch von benachbarten Lotbandteilen ansaugen.
Infolge der gleichen Kapillarwirkung wird auch das in die Spalte eingedrungene Lot dort festgehalten und daran gehindert, nicht nur seitlich, sondern auch vom jeweils oberen zum jeweils unteren Teil des Rohres l abzufliessen. Während der ständigen Weiterdrehung des Rohres fliesst vielmehr nur überschüssiges Lot innerhalb der Wendel um und gelangt dabei an etwa noch nicht genügend mit Lot versorgte Stellen, an denen es dann durch Oberflächenhaftung oder Kapillarwirkung festgehalten wird.
Die konkavewölbung der dem Rohr zugewendeten Windungsteile 3'bewirkt ausserdem einen genauen Sitz der Windungen 3 auf dem Rohr 1 und eine genaue Ausrichtung dieser Windungen untereinander.
Bei dem Beispiel nach Fig. 4 ist die Drahtwendel 4 mit den konkav gekrümmten Teilen 3'ihrer Drahtwindungen 3 auf einem Drahtgewebeband 6 durch Löten oder Schweissen befestigt oder angeheftet. Das Trägerband 6, dessen Drahtfäden schräg zu den Bandkanten verlaufen, ist ebenso wie die Drahtwendel 4 in Längsrichtung etwas vorgespannt und in dieser Stellung durch in das Band 6 eingebrachtes Lot festgelegt. Diese Wendel eignet sich vornehmlich zur Befestigung auf konvex gekrümmten Flächen, z. B. auf der äusseren Oberfläche von Rohren. Beim Erwärmen des auf der konvexen Fläche aufliegenden Trägerbandes 6 ziehen sich Trägerband 6 und Drahtwendel 4 zusammen, so dass das Band 6 sich eng an die konvexe Fläche anlegt und die Wendel 4 auf die Aussenfläche des Bandes 6 drückt.
Zugleich verbindet das im Band 6 vorhandene und beim Erwärmen flüssig gewordene Lot beim Erstarren das Band 6 fest einerseits mit der konvexen Fläche und anderseits mit den Drahtwindungen der Drahtwendel 4. Die Kapillar- wirkung der Hohlräume im Band 6 und der Spalte zwischen den Drahtwindungsteilen 3 und dem Band 6 ver-
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hindert ein Abfliessen von Lot auf nicht vom Band 6 bedeckte Teile der konvexen Fläche.
Das in Fig. 9 dargestellte dünne Metallband 7 mit abwechselnd von seinen beiden Rändern sich bis über die Bandmitte erstreckenden schlitzartigen Durchbrechungen 8 kann bei der Wendel nach Fig. 4 an
Stelle des Drahtgewebebandes 6 Verwendung finden. Infolge der Ausnehmungen 8 lässt es sich in Längs- richtung elastisch auseinanderziehen und zusammenschieben. Die Durchbrechungen 8 dienen ausserdem zur Aufnahme eines ausreichenden Lotvorrates.
Bei der in Fig. 5 im Querschnitt und in Fig. 6 in Aufsicht gezeigten Drahtwendel 4 besteht das Trä- gerband 9 aus einem flachgedrückten Schlauch aus Drahtgewebe oder Drahtgeflecht. In dem zusammenge- drückten Zustand nach Fig. 5 und Fig. 7 wird der Schlauch 9 durch in das Gewebe oder Geflecht einge- brachtes Lot festgehalten. Wird eine solche Wendel mit dem Schlauch auf eine unebene Fläche eines
Körpers 10 unter leichtem Druck aufgelegt und erwärmt, dann strebt der Schlauch sich seiner ursprünglich runden Form zu nähern, soweit die unebene Fläche dies zulässt. Dabei legt er sich eng an diese Fläche an und bildet nach dem Erkalten des Lots eine mechanisch feste und gut wärmeleitende Verbindung zwi- schen dem Körper 10 und der Drahtwendel 4.
Die Drahtwendel nach den Fig. 5 und 6 eignet sich auch zu ihrer Befestigung in rund umlaufenden
Windungen auf der inneren Oberfläche von Wärmeaustauschrohren.
Wickelt man, wie die Fig. 7 und 8 veranschaulichen, eine Wendel nach Fig. 5 und 6 mit nach aussen gerichtetem Schlauch 9 in schraubenförmigen Windungen auf ein Hilfsrohr 11 geeigneten Durchmessers und schiebt man dieses Hilfsrohr 11 mit der Wendel in ein Wärmeaustauscherrohr 12, dessen Innenwand mit dem zusammengedrückten Schlauch 9 einen schmalen, das Einschieben der Wendel zulassenden Spalt 13 bildet, dann wird nach Erwärmen und Erweichen des im Schlauch vorhandenen Lots der Schlauch 9 auf- springen, bis er ringsum an der Innenwand des Austauscherrohres 12 eng anliegt. Nach dem Wiedererstarren des Lots ist die Wendel 4 über den Schlauch 9 fest mit dem Austauscherrohr verbunden. Danach kann das Hilfsrohr 11 durchziehen inAchsrichtung unter gleichzeitigem Drehen in gleichbleibender Richtung um seine Achse entfernt werden.
Beim Drehen des Hilfsrohres 11 geben nämlich die ihm zunächst mit einem gewissen radialen Druck anliegenden Drahtwindungen 3 der Wendel federnd nach, wodurch der radiale Druck sich soweit vermindert, dass das Hilfsrohr 11 ohne grosse Mühe und ohne Beschädigung der Drahtwendel ausgezogen werden kann. Fig. 10 zeigt rechts bei C die Lage der Windungen 3 bei feststehendem und links bei D bei in Pfeilrichtung sich drehendem Hilfsrohr 11.
Die Anfertigung eines Bauelementes, das aus einer auf einem Trägerband 6, 7, oder 9 befestigten Drahtwendel 4 besteht, geschieht vorteilhaft in der Weise, dass nacheinander das Trägerband- gegebenen- falls unter Vorspannung in Längsrichtung-, darüber ein Lotband und über dieses-gleichfalls mit oder ohne Vorspannung - die Drahtwendel in Schraubenwindungen auf einen Zylinder, z. B. ein Rohr, mit Lot nicht annehmender Aussenfläche gewickelt werden und anschliessend das Ganze auf die Schmelztemperatur des Lotbandes erhitzt wird. Der Zylinder mit Lot nicht annehmender Oberfläche kann aus einem ausreichend wärmebeständigen nichtmetallischen Stoff, z. B. Porzellan oder Glas, aber auch aus nicht lötfähigem Metall wie Gusseisen oder Chrom bestehen.
Beim Erhitzen dringt das flüssige Lot, unterstützt durch die Kapillarwirkung der Hohlräume im Trägerband und des Spaltes zwischen Trägerband und Drahtwendel in diese Hohlräume ein und verbindet nach dem Erkalten Wendel und Trägerband fest miteinander. Da bei einigermassen richtiger Bemessung der imLotband enthaltenen Lotmenge die Oberfläche des Trägerbandes ausserhalb der von den Windungen 3 der Drahtwendel 4 bedeckten Stellen nur einen sehr dünnen LQtüberzug aufweist, ist das Trägerband auch nach dem Erstarren des Lots ausreichend biegsam, so dass es leicht um selbst kleine Radien gebogen werden kann.
Fig. 11 zeigt von der Seite gesehen eine auf die geschilderte Weise angefertigte, vom Zylinder abgenommene und gestreckte Drahtwendel mit den Lotansammlungen 15 am Fuss der Drahtwindungen 3 und den lotfreien Stellen 14 der Bandoberfläche zwischen diesen Drahtwindungen 3.
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