Leichtmetall-Wärmeaustauscher und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Leichtmetall-Wärmeaustauscher und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Bekanntlich werden die mit Rippen versehenen Wärmeaustauscher aus Leichtmetall in zahlreichen Gebieten der Industrie und des Alltags verwendet. Bei diesen gerippten Leichtmetall-Wärmeaustauschern strömt im allgemeinen das eine am Wärmeaustausch teilnehmende Medium im Rohr, das andere hingegen zwischen den auf der Aussenseite des Rohrs befindlichen Rippen. Von gerippten Leichtmetall-Wärmeaustauschern sind die verschiedensten Varianten bekannt. In der bisherigen Praxis wurden bei der Auslegung von Wärmeaustauschern in erster Linie die Gesichtspunkte der Fertigungstechnologie und Festigkeit berücksichtigt, die der Wärme- und Strömungstechnik von den erwähnten Gesichtspunkten im allgemeinen aber verdrängt wurden.
Einer der modernsten bekannten Leichtmetall-Wärmeaustauscher ist der Wärmeaustauscher mit schraubenlinienförmigen Rippen, wo die Rippen aus dem Rohrmaterial ausgewalzt werden, so dass zwischen Rippe und Rohr eine vollkommene Wärmeleitung besteht. Bei diesem Wärmeaustauscher ist jedoch ein bedeutender Nachteil darin zu erblicken, dass die Rohrwandstärke aus fertigungstechnischen Gründen ein Mehrfaches des laut Festigkeitslehre erforderlichen Wertes ist.
Ferner bilden sich an der Rohrinnenwand Einkerbungen, die den Strömungswiderstand für das im Rohr fliessende Medium vergrössern. Der dicken Wand, also des grossen Aussendurchmessers wegen, ist auch der luftseitige Widerstand des Rohres sehr gross. Wie ersichtlich, sind auch hier der Verwirklichung wärme- und strömungstechnischoptimaler Konstruktion durch technologische Gegebenheiten Grenzen gesetzt.
Bei den bekannten Lamellenrippenrohren, wo an den Rohren z. B. Aluminiumblechrippen befestigt werden, muss für eine gute Wärmeleitverbindung zwischen Rohr und Rippe gesorgt werden. Bei Verwendung von dünnen Rippen und Rohren mit rundem Querschnitt werden auf das Rohr gezogene Ringe zur Erzielung einer guten Verbindung verwendet. Dadurch aber entsteht ein konzentrisches Rohr, dessen Wandstärke das Mehrfache der aus Festigkeitsgründen erforderlichen Wandstärke ausmacht. Rohre mit grösserem Durchmesser als nötig sind jedoch im Hinblick auf den luftseitigen Widerstand nachteilig.
Nachteilig ist weiter bei den Rippenrundrohr-Wärmeaustauschern, dass keine gleiche Rippenfusstemperatur der Rippen, besonders der in kurzen Streifen ausgestanzten, unterbrochenen Rippen erreicht werden kann. Die Temperatur an den Rippenfüssen ist nämlich von deren Abstand vom Rohr abhängig und damit verschieden. Im Vergleich zu den unmittelbar neben dem Rohr befindlichen Rippen tritt bei den entfernteren Rippen ein Temperaturgefälle auf. Der Wirkungsgrad dieser Rippen ist geringer. Auch ist bei solchen gerippten Wärmeaustauschern mit fluchtender oder versetzter Rohranordnung hinter den Rohrreihen in Luftstromrichtung das Entstehen von Toträumen unvermeidlich, die an der Wärmeabgabe des Rippenblechs in nachteilig verringertem Masse teilnehmen.
Vom Standpunkt des luftseitigen Widerstands ist des weiteren nachteilig, dass der Querschnitt der Rippen, besonders der unterbrochenen Rippen, der strömungstechnisch optimalen Form nicht entspricht, da die Kante der Rippen flach abgeschnitten oder in vielen Fällen sogar gratig ist.
Zweck der Erfindung ist das Beheben obiger Unzulänglichkeiten und die Herstellung solcher Leichtmetall-Wärmeaustauscher, wo die wärme- und strömungstechnischen Gesichtspunkte weitgehend berücksichtigt sind. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass man obigen Anforderungen genügen kann, wenn die das eine Medium aufnehmenden Rohre annähernd tropfenförmigen Querschnitt haben und an den Rippenblechen den Rohren entsprechend geformte Flansche ausgebildet sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführung können die Kanten der Rippen abgerundet sein. Um die Wärmeabgabe zu intensivieren, können in dem Blech ausgestanzte und aus dem Blech im Winkel herausgebogene jalousieartige Rippenelemente vorgesehen sein.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmeaustauschers besteht darin, dass zur Abrundung der Rippenkanten im Blech vor dem Schneiden, mittels Walzen, Schleifen, Pressen oder Hobeln keilförmige Nuten herge stellt und sodann die Rippen entlang der Nuten durch Pressen ausgestanzt werden.
Die Erfindung wird näher durch Ausführungsbeispiele aufgrund von Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Wärmeaus tausd-Rippenbleches in Draufsicht.
Fig. 2 zeigt den Querschnitt eines Teiles des Rippenbleches nach Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt einer Ausführungsform des Wärmeaustauschers nach der Erfindung.
Fig. i zeigt die Draufsicht einer weiteren Ausführungsform des Rippenbleches.
Fig. 5 zeigt einen mehr ins Einzelne gehenden Querschnitt des Rippenbleches gemäss Fig. 4.
Fig. 6 zeigt einen Teil eines Rippenbleches mit abgerundeten Rippenkanten im Querschnitt.
Fig. 7 zeigt ein zur Herstellung des Wärmeaustauschers verwendbares Werkzeug im Schnitt.
Fig. 8 zeigt den Querschnitt eines Rippenblechs mit den fertigen Nuten.
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zur Durchführung des Verfahrens verwendbaren weiteren Werlueugs.
Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf ein Rippenblech mit Flanschen 1 für Rohre mit angenähert tropfenförmigem Querschnitt. Wie ersichtlich, muss das Rippenblech den versetzt angeordneten Rohren entsprechend geformt werden. Die Rippen - vertikal zur Luftströmungsrichtung mit Ausbiegungen versehene Blechstreifen 2 bzw. in Luftströmungsrichtung aufgebogene Rippen 3 - dienen teils zur Turbulenzbildung, teils zur Abstandhaltung zwischen den Blechen.
Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch ein Rippenblech gemäss Fig. 1. Um die den Rohren entsprechende Form beizubehalten, ist der flanschförmige Teil des Blechs 1 dicker als die ursprüngliche Blechstärke. Die auf dem Rippenblech sichtbaren Blechstreifen 2 bilden Kurzrippen, während die Blechaufbördelungen 3 ausser zur Turbulenzbildung auch zur Abstandhaltung zwischen den einzelnen Blechen dienen.
Um eine enge Verbindung zwischen Rippenblech und Rohr eines Wärmeaustauschers nach Fig. 3 zu erzielen, werden die lose auf das Rohr aufgereihten Rippenbleche einem derartigen axialen Druck ausgesetzt, dass die einzelnen Rippenbleche eng aneinander stossen; gleichzeitig erfolgt die Fixierung durch einen in das Rohr geführten Dorn mit grösseren Abmessungen als die lichte Weite des Rohres.
Beim Formen von Rohr und Dorn muss darauf geachtet werden, dass das Rohr während der Aufweitung nicht verformt wird. Es empfiehlt sich, das Rohr als Kombination von Kreis bögen grösserer und kleinerer Durchmesser herzustellen.
Fig. 4 zeigt die Draufsicht eines Wärmeaustausch-Rippenblechs für gerade Anordnung der Rohre. Zwischen den Rohren befinden sich jalousieartig aufgebogene Rippen 2, 3. Die hintereinander angeordneten Rohre sichern die vollkommene Wärmeversorgung der Rippen; der Rippenfuss befindet sich nämlich im allgemeinen sehr nahe dem Rohr. Ein weiterer Vorteil ist, dass der unausgenützte tote Raum hinter den Rohren auf ein Minimum reduziert wird.
Fig. 5 stellt ein ausführliches Querschnittbild der auf der vorhergehenden Abbildung dargestellten Rippenausbildung dar. Bei den aus dem Blech mit einem Winkel zwischen 10 und 40' herausgebogenen Jalousierippen ändert sich der Anstellwinkel zur Strömungsrichtung gruppenweise. Z.B. leiten in der Abbildung drei Rippen das am Wärmeaustausch teilnehmende Medium abwärts und drei Rippen aufwärts, so dass das Medium durch die Rippengruppen zu einer turbulenten Bewegung gezwungen wird.
Der Anschluss der Rohre an die an beiden Enden des Wärmeaustauschers befindlichen Kammern ist bei den bei Leichtmetallen in Frage kommenden Kaltverfahren, also ohne Schweissen und Löten nur so zu lösen, dass am Ende der Rohre mit angenähert tropfenförmigen Querschnitt durch nachträgliches Walzen oder Dehnen ein kurzer Abschnitt kreisrund geformt wird. Kreisförmige Rohre können nämlich durch Einwalzen oder O-Dichtungsringe gut an die Sammelkammern angeschlossen werden.
Im Interesse einer strömungstechnisch günstigen Formgebung der Kurzrippen muss dafür gesorgt werden, dass der rechteckige Querschnitt der einzelnen Rippen sich iii Wirklich keit einem an den Ecken abgerundeten Rechteck annähert.
Fig. 6 zeigt in grösserem Masstab das Bild solcher Rippen mit abgerundetem Querschnitt.
Fig 7 skizziert den Fertigungsvorgang, mit dessen Hilfe die gewünschte abgerundete Rippenform hergestellt werden kann.
Dementsprechend pressen als erster Schritt die Einlagen 6 eines Werkzeugs Nuten in die Rippen. Nach dem Pressen entstehen an der Rippenoberfläche die auf Fig. 8 sichtbaren kleinen keilförmigen Einschnitte 7, eigentlich dünne, kleine Nuten.
Im Laufe des endgültigen Pressverfahrens stanzt das Presswerkzeug die Rippen entlang der erwähnten Nuten aus und so entsteht das auf Fig. 6 gezeigte rechteckige, abgerundete Rippenblech.
Die Fertigung der skizzierten Rippenstreifen mit geringem Luftwiderstand kann durch Walzen, Pressen oder Spanabhe heu erfolgen.
Fig. 9 zeigt ein Werkzeug, das aus einem Walzenpaar besteht. Die Walzen 8 können so gestaltet sein, dass sich an ihrem Umfang hervorstehende Spitzen bzw. zum Pressen geeignete Ausbuchtungen befinden. Das Walzenpaar kann jedoch auch ein solches mit hoher Drehzahl sein, das die erforderlichen Nuten auf der Blechoberfläche nicht durch Walzen.
sondern durch Schleifen herstellt. Infolge der sehr kleinen Nutenabmessung ist der Materialverlust beim Spanabheben unbedeutend.
Im Pressverfahren stimmt die Breite der Presswalzen mit der des Rippenblechs überein, so dass das ganze Einwalzen der Vertiefungen in einem Arbeitsgang durchgeführt wird. Mit Rücksicht darauf, dass es nicht nötig ist das Rippenblech in dessen ganzer Länge mit den erwähnten Nuten zu versehen, da Nuten nur dort erforderlich sind, wo man später turbulenzformende Rippen oder Jalousien herstellt, müssen die Nutenwalzen so gefertigt werden, dass sich am Walzenumfang in der Rohrleitung entsprechenden Abständen Einschnitte befinden.
Über solche Walzenpaare geführt, entstehen auf dem Rippenblech glatte und genutete Abschnitte. Die glatten Abschnitte sind den Rohren vorbehalten, in einem genuteten Abschnitt erfolgt das Pressen der Rippen.
Die Nuten können auch mit Hilfe von Hobelmessern hergestellt werden, in welchem Fall die Messer das Nutenmaterial durch Spanabheben entfernen.
Mit Rücksicht darauf, dass beim Aufziehen auf das Rohr das genaue Einhalten der Rohrteilung - besonders im Falle von breiten, also mit langen Blechstreifen versehenen Wärmeaustauschern - eine wesentliche Forderung darstellt, muss auf die genaue Rohrteilung bei den einzelnen Blechen streng geachtet werden, da sich sonst die Bleche beim Aufziehen auf das Rohr wellenförmig verwerfen. Daher muss nach dem Rippenpress- und Flanschformungs-Arbeitsgang jeder Blechstreifen einer Kalibrierung unterzogen werden.
Das Kalibrierpressen erfolgt in der Weise, dass in die Teilungsabstände des fertigen Rippenblechstreifens je eine Halbzylindervertiefung kommt, wodurch sich der Blechstreifen spannt und die Ungleichheiten der Teilung verschwinden. Das Kalibrieren kann auch auf die Weise durchgeführt werden, dass im Laufe der Blechfertigung zwischen den Rohrteilungen entsprechend verjüngte Querschnitte ausgebildet werden, wobei das Rippenblech an diesen Punkten auf einen der endgültigen Teilung entsprechenden Dorn aufgezogen und auf die endgültige Abmessung gedehnt wird.
Das nachträgliche Blechkalibrieren kann vermieden werden wenn in der Rippenblechfertigung der Blechvorschub nicht durch Anschlag, sondern durch Erfassen der ganzen Blechbreite mittels einer Zahnleiste oder einer Richtdornreihe erfolgt.
Demnach wird der Wärmeaustauscher so fertiggestellt, dass die mit Verrippung und Anschlussflansch versehenen Blechstreifen auf die Rohre aufgezogen und axial zusammengepresst werden, so dass sich die Rippen eng aneinander schliessen.
Sodann wird ein der Innenform des Rohres entsprechender Dorn mit grösserem Ausmass durch die Rohre gezogen, um dadurch den engen Kontakt zwischen Rohr und Rippen zu erzielen.
PATENTANSPRUCH 1
Leichtmetall-Wärmeaustauscher, der Rohre zur Aufnahme eines der am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien, und auf die Rohre aufgepresste Wärmeaustausch-Rippenbleche besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die das eine Medium aufnehmenden Rohre (4) annähernd tropfenförmigen Querschnitt haben und dass an den Rippenblechen den Rohren entsprechend geformte Flansche (1) ausgebildet sind.
UNTERANSPRÜCHE
1. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenkanten abgerundet sind.
2. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrissform der Rohre (4) eine aus Kreisbögen bzw. Kreisbögen und Geraden kombinierte Kurve ist, wobei sich vorne ein Kreisbogen mit grösserem, hinten ein Kreisbogen mit kleinerem Krümmungsradius befindet und wobei diese Kreisbögen durch eine Gerade oder Kreisbögen mit grossem Krümmungsradius verbunden sind.
3. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf den Blechen parallel zu deren Flächen, sowie vertikal oder in einem gewissen Winkel stehende, gepresste turbulenzbildende Elemente (2, 3) befinden.
4. Wärmeaustauscher nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass die am Rippenblech befindlichen Flansche (1) sich bis zum benachbarten Rippenblech erstrecken.
5. Wärmeaustauscher nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Blech ausgestanzte und im Winkel aus dem Blech herausgebogene, jalousieartige Rippenelemeute (2) vorgesehen sind.
PATENTANSPRUCH II
Verfahren zur Herstellung des Wärmeaustauschers nach Patentanspruch I und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abrundung der Rippenkanten im Blech vor dem Schneiden, mittels Walzen, Schleifen, Pressen oder Hobeln keilförmige Nuten (7) hergestellt und sodann die Rippen entlang der Nuten durch Pressen ausgestanzt werden.
UNTERANSPRÜCHE
6. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das fertige Rippenblech einem der Rohrteilung entsprechenden nachträglichen Kalibrierpressen unterzogen wird.
7. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixieren der fertigen Rippenbleche auf dem Rohr nach dem Aufreihen mittels Axialdruck und in vom Kreis abweichenden Rohrformen mit Durchzug eines entsprechend geformten, jedoch grösser als die Rohrinnenmasse bemessenen Dornes erfolgt.
8. Verfahren nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixieren der fertigen Rippenbleche auf dem Rohr nach dem Aufreihen mittels Axialdruck und in vom Kreis abweichenden Rohrformen mit Durchzug eines Dornes erfolgt.
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