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PATENTANSPRÜCHE 1. . Wärmeübertragersystem mit mindestens einem Wärme übertrager, der aus mindestens einem ein erstes Wärmeübertra gungsmedium führenden Rohr besteht, das so gebogen ist, dass benachbarte Abschnitte zu einer dichten Wand verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bilden der dichten Wand (4, 4a, 4b) das Rohr (3, 3a bis 3d) mit einem Metall umgossen ist und dass die Wand (4, 4a, 4b) auf mindestens einer Seite, die von einem zweiten an der Wärmeübertragung beteiligten Medium bestrichen zu werden bestimmt ist, wärmeleitende Vorsprünge (5) aufweist.
2. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3) jedes Wärmeübertragers (1) in einer einzigen Ebene schlangen- oder mäanderartig verläuft.
3. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3a bis 3d) jedes Wärmeübertragers schraubenlinienförmig auf einem einzigen, fiktiven Rohrzylinder verläuft.
4. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (5) als radial vorstehende Rippen ausgebildet sind, die im wesentlichen in Achsrichtung des Rohrzylinders verlaufen.
5. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (5) als radial vorstehende Rippen ausgebildet sind, die im wesentlichen schraubenlinienförmig verlaufen.
6. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das schraubenlinienförmig gewundene Rohr (3a bis 3d) jedes Wärmeübertragers in umgekehrtem Sinn ansteigt als die schraubenlinienförmig gewundenen Rippen.
7. Wärmeübertragersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rippenquerschnitt baumartig sich verästelt.
8. Wärmeübertragersystem nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (5) in ihrer Länge unterteilt sind.
9. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterteilungsstelle eine Trennfuge von etwa der Rippendicke vorgesehen ist.
10. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 9, wobei Mittel vorgesehen sind, um die Rippen in ihrer Längsrichtung von einem zweiten an der Wärmeübertragung beteiligten Medium bestreichen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine der Austrittskanten (70, 71) der Rippen einseitig angeschärft ist.
11. Wärmeübertragersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Vergiessen der Rohre verwendete Metall zu mindestens 50 % aus Aluminium besteht.
12. Wärmeübertragersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3) jedes Wärmeübertragers aus Stahl oder einem anderen Metall besteht, das bei höherer Temperatur als der Schmelztemperatur des Vergussmetalls schmilzt.
13. Wärmeübertragersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wärme übertrager ( 1 ) gleicher Art so benachbart sind, dass sie sich nahezu berühren.
14. Wärmeübertragersystem nach den Ansprüchen 3 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrager koaxial angeordnet sind.
15. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die äussersten Rippen (5') benachharter Wärmeübertrager (1) zur Bildung eines geschlossenen, das zweite Medium führenden Kanals dicht miteinander verhunden, vorzugsweise miteinander verschweisst sind.
16. Verfahren zum Herstellen eines Wärmeübertragersystems nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (3, 3a bis 3d) jedes Wärmeübertragers gebogen und in eine Giessform eingelegt wird, dass diese Form daraufhin mit einem Metall ausgegossen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Rohrmaterial eine von der Schmelztemperatur des Gussmetalls sich nicht stark unterscheidende Schmelztemperatur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass während des Giessens das Rohr (3, 3a bis 3d) jedes Wärmeübertragers mit einem Füllstoff, z.B. Sand, gefüllt ist.
18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Rohrmaterial eine von der Schmelztemperatur des Gussmetalls sich nicht stark unterscheidende Schmelztemperatur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass während des Giessens das Rohr (3, 3a bis 3d) jedes Wärmeübertragers gekühlt wird, z.B. durch ein strömendes Hilfsmedium.
Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragersystem mit mindestens einem Wärmeübertrager, der aus mindestens einem ein erstes Wärmeübertragungsmedium führenden Rohr besteht, das so gebogen ist, dass benachbarte Abschnitte zu einer dichten Wand verbunden sind.
Bei bekannten Wärmeübertragersystemen dieser Art (DE OS 22 37 430) sind die Rohre direkt oder über Stege miteinander verschweisst, so dass Rohrschwingungen vermieden werden und die Aufhängung der Rohre erleichtert wird. Diese Vorteile kommen insbesondere bei hoher Temperatur voll zur Geltung.
Soll ein solches Wärmeübertragersystem bei mässigen Temperaturen im Bereich von 0-200 "C betrieben werden, so ist es verhältnismässig kostspielig, insbesondere wenn das die Wand bestreichende, zweite Medium einen relativ schlechten Wärmeübergang aufweist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, für die zuvor genannten Bedingungen das bekannte Wärmeübertragersystem so zu verbessern, dass es wirtschaftlicher herstellbar ist und dass auf der Seite des zweiten Mediums die Wärmeübertragungsfläche ein Mehrfaches der Innenoberfläche des Rohres beträgt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zum Bilden der dichten Wand das Rohr mit einem Metall umgossen ist und dass die Wand auf mindestens einer Seite, die von einem zweiten an der Wärmeübertragung beteiligten Medium bestrichen zu werden bestimmt ist, wärmeleitende Vorsprünge aufweist. Durch diese Gestaltung wird der zusätzliche Vorteil gewonnen, dass das Rohrmaterial durch den Gussmantel vor Korrosionsangriffen geschützt ist.
Soll das Wärmeübertragersystem die Form eines Quaders aufweisen, so kann dies am besten dadurch erreicht werden, dass das Rohr jedes Wärmeübertragers in einer einzigen Ebene schlangen- oder mäanderartig verläuft. Bilden die Zu- und Wegführleitungen kreis- oder kreisringförmige Anschlussquerschnitte, so ist es zweckmässig, den Wärmeübertrager derart auszubilden, dass das Rohr oder die Rohre schraubenlinienförmig auf einem einzigen, fiktiven Rohrzylinder verlaufen. Eine solche Anordnung hat auch besondere Vorteile, wenn das zweite Medium einen vom Atmosphärendurch stark unterschiedlichen Druck aufweist, indem die Rohrwendel mit ihrem Gussmantel zur tragenden Wand ausgebildet ist.
Wird zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf der Seite des zweiten Mediums eine hohe Strömungsgeschwindigkeit vorgesehen, so kann es im Falle einer kreiszylindrischen Anordnung des Wärmeübertragers vorteilhaft sein, wenn die Vorsprünge als radial ausspringende Rippen ausgebildet sind, die im wesentlichen in Achsrichtung des Rohrzylinders verlaufen, da auf diese Weise der Gesamtdruckabfall verhältnismässig klein gehalten werden kann.
Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist deren einfache Her
stellung.
Ist dagegen der Mengenstrom des zweiten Mediums relativ klein und kann man, z.B. aus Verschmutzungsgründen, die Strömungsquerschnitte für das zweite Medium nicht beliebig verkleinern, so ist es vorteilhaft, dass die Vorsprünge als radial ausspringende Rippen ausgebildet sind, die im wesentlichen nach Schraubenlinien verlaufen.
Um die Temperaturdifferenz am Gussmaterial des Wärme übertragers möglichst klein und gleichmässig zu halten, lassen sich bei schraubenlinienförmig gewundenen Rohren die Rippen vorzugsweise so ausbilden, dass die Windungen der Rohre in umgekehrtem Sinn ansteigen als diejenigen der Rippen. Eine erhebliche Verbesserung des Wärmeübergangs auf der Seite des zweiten Mediums kann dadurch erzielt werden, dass der Rippenquerschnitt baumartig sich verästelt. Um Wärmespannungen in den Rippen zu verringern, werden die Rippen mit Vorteil in ihrer Länge unterteilt. Dabei ist es zweckmässig, eine Trennfuge von etwa der Rippendicke vorzusehen. Eine erhebliche Verbesserung des Wärmeübergangs kann sodann dadurch erzielt werden, dass jeweils eine der Austrittskanten der Rippen einseitig angeschärft ist.
Durch den dadurch erzielten Coandaeffekt wird jeweils die Grenzschicht von der einen Seite des schmalen Strömungskanals zwischen den Rippen auf die andere Seite der Rippen geleitet, sodass sich bei jeder Trennfuge neue Grenzschichten bilden.
Gute Wärmeleitungsverhältnisse können geschaffen werden, wenn das zum Vergiessen der Rohre verwendete Material zu mindestens 50 % aus Aluminium besteht. Fertigungsvorteile können dadurch entstehen, dass das Rohr oder die Rohre aus Stahl oder einem anderen, bei höherer Temperatur als der Schmelztemperatur des Vergussmetalls schmelzenden Metall besteht. Das Rohr oder die Rohre bilden damit nicht nur eine verlorene Schalung , sondern sie können auch eine besser beherrschbare Oberflächengüte im Strömungsbereich des ersten Mediums gewährleisten. Die Vergrösserung der Kapazität eines Wärmeübertragers wird zweckmässig dadurch erzielt, dass er von mindestens einem zweiten Wärmeübertrager gleicher Art benachbart ist, wobei die Wärmeübertrager sich mindestens nahezu berühren, und wobei, bei kreiszylindrischer Ausbildung der Wärmeübertrager, diese konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Die Wärmeübertrager können besonders einfach hergestellt werden, wenn zunächst die Rohre gebogen und in eine Giessform eingelegt werden, diese Form daraufhin ausgegossen wird.
Hernach können die Vorsprünge spanabhebend aus dem Gussmaterial herausgearbeitet werden. Zur Verringerung der Zer spanungsarbeit kann es zweckmässig sein, dass die Rohre gebogen und in eine Giessform eingelegt werden, dass sodann die Form ausgegossen und darauf das Gussstück spanabhebend so bearbeitet wird, dass Vertiefungen zur Verankerung von die Vorsprünge bildenden rippen artigen Teilen entstehen, die her nach in diese Vertiefungen eingestemmt, eingelötet oder eingeschweisst werden.
Bei der Massenproduktion von Wärmeübertragern können dadurch Einsparungen erzielt werden, dass die Rohre gebogen und zusammen mit rippenartigen Teilen in die Giessform einge legt werden, die hernach so ausgegossen wird, dass die rippenar tigen Teile ausschliesslich mit ihrem Fuss in die Gussmatrix ein geschlossen werden. Weiter verbilligen lässt sich die Herstellung der Wärmeübertrager, wenn die rippenartigen Teile durch
Strangpressen hergestellt werden.
Wärmespannungen im Gefüge der Wärmeübertrager kön nen dadurch erheblich herabgesetzt werden, dass Rohrmaterial verwendet wird, das eine von der Schmelztemperatur des Guss materials sich nicht stark unterscheidende Schmelztemperatur aufweist, wobei während des Giessvorgangs das Rohr oder die Rohre mit einem Füllstoff, vorzugsweise Sand gefüllt sind. Die Wärmekapazität des Füllstoffs kann dabei ein durchgehendes Aufschmelzen der Rohre verhindern. Ferner kann er ein Einbeulen unter der Wirkung des Drucks der Schmelze verhindern.
Wird der Wärmeübertrager in grösserer Stückzahl gebaut, so kann es, wenn das Rohrmaterial eine von der Schmelztemperatur des Gussmaterials sich nicht stark unterscheidende Schmelztemperatur aufweist, vorteilhaft sein, wenn während des Giessvorgangs das Rohr oder die Rohre innen - vorzugsweise durch ein strömendes Hilfsmedium - gekühlt werden.
Mehrere Wärmeübertrager können dadurch zu einem quaderförmigen System zusammengefügt sein, dass jeweils die äussersten Rippen benachbarter Wärmeübertrager zur Bildung eines geschlossenen, das zweite Medium führenden Kanals dicht miteinander verbunden, vorzugsweise miteinander verschweisst sind.
Die Erfindung wird nun an hand einiger, in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Kasten mit mehreren, ebenen Wärmeübertragern.
Fig. 2 stellt einen Querschnitt II-II durch den Kasten nach Fig. 1 dar.
Fig. 3 ist ein Querschnitt durch zwei konzentrisch angeordnete, kreiszylindrische Wärmeübertrager.
Fig. 4 zeigt, in vergrössertem Massstab, einen Längsschnitt IV-IV der Wärmeübertrager nach Fig. 3.
Fig. 5 zeigt, analog zu Fig. 3, einen Querschnitt durch zwei konzentrisch angeordnete Wärmeübertrager, von denen der innere beidseitig Rippen aufweist.
Fig. 6 stellt einen Längsschnitt einer Variante zu Fig. 5 dar.
Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt durch ein System mehrerer Wärmeübertrager, in denen jeweils ein Rohr nach einer Spirale angeordnet ist.
Fig. 8 ist ein in den Höhenstufen VIIII, VIII2 und V1113 verlaufender Horizontalschnitt durch einen der Wärmeübertrager nach Fig. 7.
Fig. 9 veranschaulicht den Querschnitt durch zwei Rippen mit Ästen.
Fig. 10 zeigt den Querschnitt einer anderen Ausführungsform von verästelten Rippen sowie ihre gegenseitige Anord nung.
Fig. 11 und 12 stellen Querschnitte durch weitere verästelte Rippen dar, die aus Blechstreifen hergestellt sind.
Fig. 13 zeigt einen fragmentarischen Querschnitt durch einen kreiszylindrischen Wärmeübertrager mit einfachen Rippen, die nach Schraubenlinien verlaufen.
Fig. 14 lässt die Abwicklung eines Zylinders mit schraubenförmig verlaufenden, unterbrochenen Rippen erkennen.
Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 sind mehrere ebene Wärmeübertrager 1, von denen nur zwei gezeichnet sind, zu einem Kasten 2 zusammengefügt. Jeder der Wärmeübertrager besteht aus einem Rohr 3, das in je einer vertikalen Ebene hin und her gebogen ist. Die Rohre 3 sind je mit einem Aluminiumkörper 4 umgossen, dessen zur Ebene des zugehörigen Rohres parallele Seitenflächen eingegossene Rippen 5 aufweisen. Die äussersten Rippen 5' sind etwas länger als die übrigen Rippen und jeweils durch eine Schweissnaht 6 mit einer anstossenden Rippe 5' eines benachbarten Wärmeübertragers 1 verbunden, so dass die erwähnte Kastenform entsteht.
Bei den an den Enden des Kastens angeordneten Wärmeübertragern 1 ist jeweils auf der freien Seite eine Endplatte 8 angeschweisst, die sich über die ganze äussere Rippenfläche dieser Wärmeübertrager erstreckt. Am oberen Ende jeder Endplatte 8 ist je eine Trichterwand 9 und an den durch die verbundenen Rippen 5' gebildeten oberen Querkanten der Wärmeübertrager sind zwei Trichterflächen 10 und 11 angeschweisst. An diesen Trichter ist - was aus der Zeichnung nicht ersichtlich ist - eine Abfuhrlei tung angeschlossen. Ein gleicher Trichter mit Zufuhr leitung für das zweite Medium befindet sich am unteren Ende.
Die Rohre 3 treten oben und unten seitlich aus dem Kasten 2 aus und enden an Flanschen 13. Die Flansche 13 sind mit Flanschen von Rohrstutzen 14 verbunden, die oben in einen Verteiler 15 und unten, auf der Zeichnung nicht ersichtlich, in einen Sammler münden. Diese Verteiler und Sammler sind, der Wärmedehnungsunterschiede des Sammlers bzw. Verteilers einerseits und des Aluminiumkörpers andrerseits Rechnung tragend, durch Faltenbälge 17 unterteilt.
Im Betrieb werden die Räume zwischen den Endplatten 8 und den ihnen benachbarten Wärmeübertragern 1 und die Räume zwischen einander benachbarten Wärmeübertragern 1 von unten nach oben von einem wärmeabgebenden Gas durchströmt. Durch die Rohre 3 fliesst Wasser von oben nach unten, aus dem Verteiler 15 in den nicht gezeichneten, aber bereits erwähnten Sammler. Durch die grosse Wärmeübertragungsflä- che der Rippen 5 wird die relativ schlechte Wärmeübergangszahl des Gases kompensiert, sodass die Temperaturdifferenz zwischen dem wärmeabgebenden Gas und der wärmeaufnehmenden Oberfläche der Rippen 5 verhältnismässig klein bleibt.
Die Rippen 5 sind mit Anzug ausgebildet, sodass der im Bereich des Rippenfusses erhöhte Wärmestrom mit verhältnismässig geringem Temperaturabfall zum Rohr 3 strömen kann. Da das im Rohr 3 fliessende Wasser einen guten Wärmeübergang gewährleistet, treten auch wasserseitig keine hohen Temperaturdifferenzen auf.
Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 sind Rohre 3a und 3b nach Schraubenlinien gewunden. Jede so gebildete Rohrwendel ist durch einen Aluminiumkörper 4a bzw. 4b umgossen, je einen kreiszylindrischen Wärmeübertrager la und 1b bildend. Der Wärmeübertrager la weist auf seiner Innenseite radiale Längsrippen 5 auf, während die zylindrische Aussenseite glatt ist. Der Wärmeübertrager 4b ist auf seiner Aussenseite mit Rippen 5 versehen und auf seiner Innenseite glatt. Ausser den normalen Rippen 5 des Wärmeübertragers 4b ist eine stark verbreiterte Rippe 23 vorgesehen, in der ein mit dem oberen Ende der Rohrwendel verbundenes Rohrstück 24 achsparallel nach unten verläuft. Unterhalb des Wärmeübertragers führt das Rohrstück 24, eine nicht gezeichnete Trichterwand durchstossend, nach aussen.
Im Betrieb wird der von den Oberflächen der Rippen 5 begrenzte, stark zerklüftete Ringraum in axialer Richtung von einem Gas durchströmt, während die beiden Rohre 3a und 3b, die vorzugsweise parallel geschaltet sind, von einer Flüssigkeit durchströmt werden.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 sind im Unterschied zu Fig. 3 und 4 auch auf der Innenscite des Wärmeübertragers 4b Rippen 5 angeordnet. Der Strömungskanal des Gases wird innen begrenzt durch einen kreiszylindrischen Verdränger 25.
Ebenso könnte auch der äussere Wärmeübertrager 4a mit Aussenrippen versehen und von einem kreiszylindrischen Mantel umgeben sein.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 5 dadurch, dass der innere Wärmeübertrager 4b zwei Rohrwendeln 3c und 3d aufweist, die beide an ihrem oberen Ende in ein gemeinsames Sammelrohr 26 münden, das von einem Aluminiummantel 27 umgeben ist, durch die Wand eines Trichters 28 führt und schliesslich im Freien mit einem Flansch 29 endet. Das obere Ende der Rohrwendel 3a verlässt den Wärmeübertrager 4a ausserhalb des Trichters 28.
Sein Ende ist mit einem Flansch 29' versehen.
Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7 und 8 sind fünf Wärmeübertrager 4f . . . 4k als kreisringförmige Scheiben ausgebildet und koaxial übereinander angeordnet. Innerhalb der Wärmeübertrager 4f . . . 4k verlaufen die Rohre 3f . . . 3k nach Spiralen gebogen. Die Rippen stehen jeweils senkrecht zur Ebene der Rohre 3 und sind nach Evolventen gebogen.
Die Wärmeübertrager 4f ... 4k sind aussen von einem zylindrischen Mantel 30 umgeben, der durch ebene Ringbleche 31,32 und 33 mit den Wärmeübertragern 4f, 4h bzw. 4k dicht verbunden ist. Auf der Innenseite der Wärmeübertrager sind zwei Absperrscheiben 35 und 36 in der Bohrung der Wärme übertrager 4g bzw. 4i angeordnet.
Am zweitobersten Wärmeübertrager 4g, der in Fig. 8 teils im Grundriss, teils im Horizontalschnitt dargestellt ist, führen die evolventenförmigen Rippen, wenn man sie in Gegenzeigerrichtung verfolgt, an der Oberseite der Scheibe (Schnitt VIIII) von aussen nach innen und auf der Unterseite von innen nach aussen. Der oberste Wärmeübertrager 4f trägt nur auf seiner Unterseite Rippen, die wie diejenigen auf der Oberseite der Nachbarscheibe 4g verlaufen. Der Wärmeübertrager 4i ist gleich ausgebildet wie 4g, während der dazwischenliegende Wärmeübertrager 4h umgekehrt verlaufende Rippen aufweist: auf der Oberseite führen sie - immer auf den Gegenzeigersinn bezogen - von innen nach aussen und auf der Unterseite von aussen nach innen. Der unterste Wärmeübertrager 4k trägt nur auf seiner Oberseite Rippen, die von innen nach aussen verlaufen.
Durch diese Rippenanordnung wird erreicht, dass das gasförmige Medium, das von unten durch den Eintritt 50 zentral in den Stapel der Wärmeübertrager eintritt, zwischen den einander zugewendeten Rippen 5 der Wärmeübertrager 4i und 4k im Gegenzeigersinn nach aussen strömt, durch den unteren Ringraum 42 zwischen dem Wärmeübertrager 4i und dem Mantel 30, weiter im Gegenzeigersinn rotierend, aufsteigt und im Gegenzeigersinn durch die Zwischenräume zwischen den Wärme übertragern 4h und 4i nach innen strömt. Gleichsinnig weiterrotierend strömt es zwischen den Wärmeübertragern 4g und 4h nach aussen in den oberen Ringraum 42' und gelangt schliesslich, zwischen den Wärmeübertragern 4f und 4g nach innen strömend, zur Austrittsöffnung 51 des Wärmeübertragersystems.
Jedes der Rohre 3g ... 3i erstreckt sich zunächst radial bis zur zugehörigen Scheibe des Wärmeübertragers, wobei der innerhalb des Mantels 30 befindliche radiale Abschnitt 38 mit Aluminium umgossen ist. In der Scheibe verläuft jedes Rohr 3g . . 3i als Spirale 40, vorzugsweise als Evolvente mit geringer radialer Teilung gewickelt, bis gegen den Innenrand der Scheibe. Dort tritt jedes der Rohre 3g ... 3i jeweils in die Etage der Rippen auf der Unterseite des betreffenden Wärmeübertragers über, wo es als Evolventenrohr 41 in einer verdickten Rippe 23' eingebettet ist, die - wie die Nachbarrippen - evolventenförmig verläuft. Am äusseren Rand der Scheibe geht jedes Evolventenrohr 41 in einen radialen Rohrabschnitt 43 über, der den Mantel 30 durchdringt und innerhalb des Mantels mit Aluminium umgossen ist.
Die Rohre 3f und 3k haben ebenfalls radiale, jedoch ausserhalb der Ringräume 42 und 42' befindliche Rohrabschnitte 39, die in der Scheibe 4f und 4k in Spiralrohre übergehen.
Am inneren Rand dieser beiden Scheiben sind die Spiralrohre nach oben bzw. unten aus der Scheibe herausgeführt und setzen sich als Rohr 44 bzw. 45 fort. Um die Strömungsverluste wasserseitig klein zu halten, sind die Richtungsänderungen des Rohres dadurch möglichst gering gewählt, dass das Wasser innerhalb eines Wärmeübertragers im Spiralrohr 40 wie auch im Evolventenrohr 41 im gleichen Sinne kreist. Da die Richtung der Evolventenrohre 41 wegen der abwechselnden Richtung auf der aufeinanderfolgenden unteren Rippen abwechselt, wechseln auch die Drehrichtungen der Spiralrohre 40 aufeinanderfolgender Wärmeübertrager. So ist das Spiralrohr 40 der Wärmeübertrager 4g und 4i von aussen nach innen im Gegenzeigersinn gewunden, während dasjenige der Wärmeübertrager 4h und 4k im Uhrzeigersinn von aussen nach innen läuft.
Durch die Anordnung der Evolventenrohre 41 auf der Unterseite der Scheibe 4g . . .4k wird erreicht, dass die Spiralab schnitte 40 der Rohre besser entwässerbar sind und dass die Gasquerschnitte gleichmässig verlaufen. Am obersten Wärme übertrager 4f ist auf diese beiden Vorteile verzichtet worden, da das Evolventenrohr 44 nach oben weggeführt ist. Hierdurch wird andererseits das Gewicht des Aluminiumgusses etwas herabgesetzt.
Die Rohre 3f . . .3k werden zweckmässig in Serie geschaltet, und zwar nach dem Gegenstromprinzip, das sich allerdings hier nicht konsequent verwirklichen lässt. Nach einer zweckmässigen Schaltungsform ist deshalb der Rohrabschnitt 39 des Wärmeübertragers 4f mit dem Evolventenrohr 41 des Wärme übertragers 4g verbunden, wobei das Evolventenrohr 44 den Wassereintritt bildet. Der Rohrabschnitt 38 des Wärmeübertragers 4g ist mit dem Abschnitt 38 des Wärmeübertragers 4h, dessen Evolventenrohr mit dem Abschnitt 38 des Wärmeübertragers 4i und schliesslich das Evolventenrohr des Wärmeübertragers 4i mit dem Abschnitt 39 des Wärmeübertragers 4k verbunden. Praktische Überlegungen wie auch thermodynamische Rechnungen können auch zu einer anderen Schaltung führen.
Während in den bisher besprochenen Ausführungsbeispielen stets einfache, gerade Rippen vorausgesetzt wurden, kann es auch zweckmässig sein, die Rippen zu verästeln, wie dies in Fig.
9 dargestellt ist. Auf dem Wärmeübertragerkörper 55, in dem das Rohr 3 eingegossen ist, sind flache Nuten 56 eingedreht, in welche Rippen 57 eingelötet sind. Diese Rippen 57 weisen eine stammförmige Mittelrippe 58 auf, von denen beidseitig je vier Astrippen 59 abzweigen. Fig. 10 zeigt eine verbesserte Form verzweigter Rippen. Die Stammrippe 58 verläuft gegen den Rippenfuss 54, dem zunehmenden Wärmestrom entsprechend, verdickt und die Astrippen 59 sind schräggestellt, sodass der Wärmestrom auf kürzerem Weg den Rippenfuss 54 erreicht.
Die Astrippen nach Fig. 10 sind überdies so angeordnet, dass die Zwischenräume für das die Rippen umströmende Medium einen möglichst wenig sich ändernden, hydraulischen Radius aufweisen.
Rippen nach Fig. 10 lassen sich leicht giessen, während das Strangpressen wegen der ungleichmässigen Querschnittsverteilung Schwierigkeiten bietet. Diesbezüglich günstiger sind die Querschnittformen nach den Fig. 11 und 12, die durch Verlöten einfacher Winkelprofile 60 zusammengesetzt sind. Diese können durch Abkanten von Blechen oder durch Strangpressen gebildet werden. Die Profile 60 werden vorzugsweise mit einem ersten, hochschmelzenden Lot zu einer verästelten Rippe zusammengefügt, die hernach mit einem zweiten weniger hochschmelzendem Lot in die Nut 56 des Wärmeübertragers 55 eingelötet wird.
Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 13 erstrecken sich von einem kreiszylindrischen Wärmeübertrager 60 Rippen 61 radial nach innen, wobei die Rippen nach Schraubenlinien verlaufen.
Durch diese Anordnung wird der Strömungsweg länger und gleichzeitig der Strömungsquerschnitt geringer, was mithelfen kann, den Wärmeübergang zu optimieren.
Fig. 14 zeigt die Abwicklung eines Wärmeübertragers mit geneigt verlaufenden, unterteilten Rippen. Jeweils die eine (70) der Austrittskanten 70, 71 der Rippen ist mit grossem Radius abgerundet. Dies hat zur Folge, dass durch Coanda-Effekt jeweils eine dünne Schicht des zwischen den Rippen strömenden Mediums durch die Lücke zwischen aufeinanderfolgenden Rippen in den nächsten Strömungspfad hinüberwechselt. Durch dieses Phänomen kann der Wärmeübergang zusätzlich verbessert werden. Die in Fig. 14 geneigt dargestellten Rippen können auch in axialer Richtung verlaufen, wobei dann die Unterbrüche zwischen den Rippen einer Schraubenlinie folgen können.
Selbstverständlich lässt sich das in Fig. 14 dargestellte Prinzip auch am ebenen Wärmeübertrager nach Fig. 1 anwenden.
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PATENT CLAIMS 1.. Heat exchanger system with at least one heat exchanger, which consists of at least one tube carrying a first heat transfer medium, which is bent such that adjacent sections are connected to form a dense wall, characterized in that for forming the dense wall (4, 4a, 4b) the tube (3, 3a to 3d) is encapsulated with a metal and that the wall (4, 4a, 4b) on at least one side, which is intended to be coated by a second medium involved in the heat transfer, is provided with heat-conducting projections (5) having.
2. Heat exchanger system according to claim 1, characterized in that the tube (3) of each heat exchanger (1) extends in a single plane in a serpentine or meandering manner.
3. Heat exchanger system according to claim 1, characterized in that the tube (3a to 3d) of each heat exchanger extends helically on a single, fictitious tube cylinder.
4. Heat exchanger system according to claim 3, characterized in that the projections (5) are designed as radially projecting ribs which extend essentially in the axial direction of the tubular cylinder.
5. Heat exchanger system according to claim 3, characterized in that the projections (5) are designed as radially projecting ribs which run essentially helically.
6. Heat exchanger system according to claim 5, characterized in that the helically wound tube (3a to 3d) of each heat exchanger rises in the opposite sense to that of the helically wound fins.
7. Heat exchanger system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the rib cross section branches out like a tree.
8. Heat exchanger system according to one of claims 4 to 7, characterized in that the ribs (5) are divided in length.
9. Heat exchanger system according to claim 8, characterized in that a parting line of approximately the fin thickness is provided at the subdivision point.
10. Heat transfer system according to claim 9, wherein means are provided to have the ribs coated in their longitudinal direction by a second medium involved in the heat transfer, characterized in that one of the trailing edges (70, 71) of the ribs is sharpened on one side.
11. Heat transfer system according to one of claims 1 to 10, characterized in that the metal used for casting the pipes consists of at least 50% aluminum.
12. Heat exchanger system according to one of claims 1 to 11, characterized in that the tube (3) of each heat exchanger consists of steel or another metal which melts at a higher temperature than the melting temperature of the potting metal.
13. Heat exchanger system according to one of claims 1 to 12, characterized in that at least two heat exchangers (1) of the same type are adjacent so that they almost touch.
14. Heat exchanger system according to claims 3 and 13, characterized in that the heat exchangers are arranged coaxially.
15. Heat exchanger system according to claim 2, characterized in that the outermost ribs (5 ') of adjacent heat exchangers (1) are tightly sealed to one another to form a closed channel guiding the second medium, preferably welded to one another.
16. A method for producing a heat exchanger system according to claim 1, characterized in that the tube (3, 3a to 3d) of each heat exchanger is bent and placed in a casting mold, that this mold is then poured out with a metal.
17. The method according to claim 16, wherein the pipe material has a melting temperature which does not differ greatly from the melting temperature of the cast metal, characterized in that during the casting the pipe (3, 3a to 3d) of each heat exchanger with a filler, e.g. Sand that is filled.
A method according to claim 16, wherein the tube material has a melting temperature which does not differ significantly from the melting temperature of the cast metal, characterized in that during the casting the tube (3, 3a to 3d) of each heat exchanger is cooled, e.g. through a flowing auxiliary medium.
The invention relates to a heat exchanger system with at least one heat exchanger, which consists of at least one tube carrying a first heat transfer medium, which is bent such that adjacent sections are connected to form a sealed wall.
In known heat exchanger systems of this type (DE OS 22 37 430), the tubes are welded to one another directly or via webs, so that tube vibrations are avoided and the suspension of the tubes is facilitated. These advantages come into their own especially at high temperatures.
If such a heat transfer system is to be operated at moderate temperatures in the range from 0-200 ° C., it is relatively expensive, in particular if the second medium covering the wall has a relatively poor heat transfer.
It is therefore an object of the invention to improve the known heat transfer system for the aforementioned conditions in such a way that it can be produced more economically and that on the side of the second medium the heat transfer area is a multiple of the inner surface of the tube.
This object is achieved in that the tube is encapsulated with a metal in order to form the dense wall and in that the wall has heat-conducting projections on at least one side which is intended to be coated by a second medium involved in the heat transfer. This design provides the additional advantage that the pipe material is protected from corrosion attacks by the cast jacket.
If the heat exchanger system is to have the shape of a cuboid, this can best be achieved by the tube of each heat exchanger running in a single plane in a serpentine or meandering manner. If the supply and discharge lines form circular or annular connection cross sections, it is expedient to design the heat exchanger in such a way that the pipe or pipes run helically on a single, fictitious pipe cylinder. Such an arrangement also has particular advantages if the second medium has a pressure which differs greatly from the atmosphere by virtue of the tubular coil with its cast jacket being formed toward the supporting wall.
If a high flow velocity is provided to improve the heat transfer on the side of the second medium, it can be advantageous in the case of a circular-cylindrical arrangement of the heat exchanger if the projections are designed as radially projecting ribs, which run essentially in the axial direction of the tube cylinder, because of this way the total pressure drop can be kept relatively small.
Another advantage of this arrangement is its simple manufacture
position.
If, on the other hand, the volume flow of the second medium is relatively small and can For reasons of contamination, the flow cross-sections for the second medium should not be reduced as desired, so it is advantageous that the projections are designed as radially projecting ribs which run essentially along helical lines.
In order to keep the temperature difference on the casting material of the heat exchanger as small and uniform as possible, the ribs in the case of helically wound tubes can preferably be designed in such a way that the turns of the tubes increase in the opposite sense to those of the ribs. A considerable improvement in the heat transfer on the side of the second medium can be achieved in that the rib cross section branches out like a tree. In order to reduce thermal stresses in the ribs, the ribs are advantageously divided in their length. It is expedient to provide a parting line of approximately the rib thickness. A considerable improvement in the heat transfer can then be achieved in that one of the trailing edges of the ribs is sharpened on one side.
As a result of the Coanda effect, the boundary layer is guided from one side of the narrow flow channel between the ribs to the other side of the ribs, so that new boundary layers are formed at each parting line.
Good heat conduction conditions can be created if the material used to cast the pipes consists of at least 50% aluminum. Manufacturing advantages can arise from the fact that the tube or tubes consists of steel or another metal that melts at a higher temperature than the melting temperature of the potting metal. The pipe or pipes thus not only form a lost formwork, but they can also ensure a better controllable surface quality in the flow area of the first medium. The increase in the capacity of a heat exchanger is expediently achieved in that it is adjacent to at least one second heat exchanger of the same type, the heat exchangers at least almost touching each other, and, in the case of a circular cylindrical design, the heat exchangers are arranged concentrically to one another.
The heat exchangers can be manufactured particularly simply if the tubes are first bent and placed in a casting mold, this mold is then poured out.
The projections can then be machined out of the cast material. To reduce the machining work, it may be appropriate that the tubes are bent and placed in a casting mold, that the mold is then poured out and the casting is then machined so that recesses for anchoring the rib-like parts forming the projections are produced after being caulked, soldered or welded into these recesses.
In the mass production of heat exchangers, savings can be achieved by bending the tubes and inserting them together with rib-like parts into the casting mold, which is then poured out so that the rib-like parts are exclusively enclosed with their feet in the casting matrix. The manufacture of the heat exchanger can be made even cheaper if the fin-like parts pass through
Extrusions are manufactured.
Thermal stresses in the structure of the heat exchangers can be considerably reduced by using tube material which has a melting temperature which does not differ greatly from the melting temperature of the casting material, the tube or tubes being filled with a filler, preferably sand, during the casting process. The heat capacity of the filler can prevent the tubes from melting continuously. It can also prevent denting under the effect of the pressure of the melt.
If the heat exchanger is built in large numbers, it may be advantageous if the pipe material has a melting temperature that does not differ significantly from the melting temperature of the casting material, if the pipe or the pipes are cooled inside - preferably by a flowing auxiliary medium - during the casting process .
A plurality of heat exchangers can be combined to form a cuboid system in that the outermost fins of adjacent heat exchangers are tightly connected to one another, preferably welded together, to form a closed channel guiding the second medium.
The invention will now be explained in more detail on the basis of a few exemplary embodiments shown schematically in the drawing.
Fig. 1 shows a longitudinal section through a box with several, flat heat exchangers.
Fig. 2 shows a cross section II-II through the box of FIG. 1.
3 is a cross section through two concentrically arranged, circular cylindrical heat exchangers.
FIG. 4 shows, on an enlarged scale, a longitudinal section IV-IV of the heat exchangers according to FIG. 3.
5 shows, analogously to FIG. 3, a cross section through two concentrically arranged heat exchangers, of which the inner has ribs on both sides.
FIG. 6 shows a longitudinal section of a variant of FIG. 5.
Fig. 7 shows a longitudinal section through a system of several heat exchangers, in each of which a tube is arranged after a spiral.
FIG. 8 is a horizontal section through one of the heat exchangers according to FIG. 7, at heights VIIII, VIII2 and V1113.
Fig. 9 illustrates the cross section through two ribs with branches.
Fig. 10 shows the cross section of another embodiment of branched ribs and their mutual Anord voltage.
11 and 12 represent cross sections through further branched ribs, which are made of sheet metal strips.
Fig. 13 shows a fragmentary cross section through a circular cylindrical heat exchanger with simple ribs that run along helical lines.
Fig. 14 shows the development of a cylinder with helical, interrupted ribs.
In the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2, several flat heat exchangers 1, of which only two are drawn, are combined to form a box 2. Each of the heat exchangers consists of a tube 3 which is bent back and forth in a vertical plane. The tubes 3 are each cast with an aluminum body 4, the ribs 5 of which have cast-in side faces parallel to the plane of the associated tube. The outermost fins 5 'are somewhat longer than the other fins and are each connected by a weld 6 to an abutting fin 5' of an adjacent heat exchanger 1, so that the aforementioned box shape is created.
In the case of the heat exchangers 1 arranged at the ends of the box, an end plate 8 is welded on the free side, which extends over the entire outer fin surface of these heat exchangers. At the upper end of each end plate 8 there is a funnel wall 9 and two funnel surfaces 10 and 11 are welded to the upper transverse edges of the heat exchangers formed by the connected ribs 5 '. A discharge line is connected to this funnel, which cannot be seen from the drawing. An identical funnel with a feed line for the second medium is located at the lower end.
The pipes 3 emerge laterally from the box 2 at the top and bottom and end at flanges 13. The flanges 13 are connected to flanges of pipe sockets 14, which open into a manifold at the top and in a distributor 15 and below, not shown in the drawing. These distributors and collectors are divided by bellows 17, taking into account the thermal expansion differences of the collector or distributor on the one hand and the aluminum body on the other hand.
In operation, the spaces between the end plates 8 and the heat exchangers 1 adjacent to them and the spaces between adjacent heat exchangers 1 are flowed through from below by a heat-emitting gas. Water flows through the pipes 3 from top to bottom, from the distributor 15 into the collector (not shown but already mentioned). The large heat transfer area of the fins 5 compensates for the relatively poor heat transfer coefficient of the gas, so that the temperature difference between the heat-emitting gas and the heat-absorbing surface of the fins 5 remains relatively small.
The fins 5 are designed to be tightened so that the increased heat flow in the region of the fin foot can flow to the pipe 3 with a relatively low temperature drop. Since the water flowing in the pipe 3 ensures good heat transfer, there are also no high temperature differences on the water side.
In the exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 4, tubes 3a and 3b are wound according to helical lines. Each tube coil formed in this way is encapsulated by an aluminum body 4a or 4b, each forming a circular cylindrical heat exchanger la and 1b. The heat exchanger la has on its inside radial longitudinal ribs 5, while the cylindrical outside is smooth. The heat exchanger 4b is provided with ribs 5 on its outside and smooth on its inside. In addition to the normal fins 5 of the heat exchanger 4b, a greatly widened fin 23 is provided, in which a pipe section 24 connected to the upper end of the coiled tubing runs axially parallel downwards. Below the heat exchanger, the pipe section 24 leads outwards, piercing a funnel wall (not shown).
In operation, a gas flows through the highly jagged annular space delimited by the surfaces of the ribs 5, while a liquid flows through the two tubes 3a and 3b, which are preferably connected in parallel.
In the exemplary embodiment according to FIG. 5, in contrast to FIGS. 3 and 4, fins 5 are also arranged on the inner face of the heat exchanger 4b. The flow channel of the gas is delimited on the inside by a circular cylindrical displacer 25.
Likewise, the outer heat exchanger 4a could also be provided with outer ribs and surrounded by a circular cylindrical jacket.
The embodiment according to FIG. 6 differs from that according to FIG. 5 in that the inner heat exchanger 4b has two tube coils 3c and 3d, both of which open at their upper end into a common collector tube 26, which is surrounded by an aluminum jacket 27 leads the wall of a funnel 28 and finally ends outdoors with a flange 29. The upper end of the tube coil 3a leaves the heat exchanger 4a outside the funnel 28.
Its end is provided with a flange 29 '.
In the exemplary embodiment according to FIGS. 7 and 8, five heat exchangers 4f. . . 4k formed as annular disks and arranged coaxially one above the other. Inside the heat exchanger 4f. . . The pipes 3f run 4k. . . 3k bent after spirals. The ribs are perpendicular to the plane of the tubes 3 and are bent according to involutes.
The heat exchangers 4f ... 4k are surrounded on the outside by a cylindrical jacket 30, which is tightly connected to the heat exchangers 4f, 4h and 4k by flat ring plates 31, 32 and 33. On the inside of the heat exchanger, two shut-off disks 35 and 36 are arranged in the bore of the heat exchanger 4g and 4i.
At the second uppermost heat exchanger 4g, which is shown in Fig. 8 partly in plan and partly in horizontal section, the involute ribs, if you follow them in the opposite direction, lead on the top of the disc (section VIIII) from the outside inwards and on the underside of inside out. The uppermost heat exchanger 4f only has fins on its underside, which run like those on the top of the adjacent pane 4g. The heat exchanger 4i is designed in the same way as 4g, while the heat exchanger 4h in between has ribs that run in reverse: on the top, always referring to the counterclockwise direction, they lead from the inside to the outside and on the bottom from the outside to the inside. The bottom heat exchanger 4k only has fins on its top, which run from the inside to the outside.
This rib arrangement ensures that the gaseous medium, which enters the stack of heat exchangers centrally from below through the inlet 50, flows outward in the counterclockwise direction between the mutually facing ribs 5 of the heat exchangers 4i and 4k, through the lower annular space 42 between the Heat exchanger 4i and the jacket 30, further rotating counterclockwise, rises and flows counterclockwise through the spaces between the heat exchangers 4h and 4i inwards. Continuously rotating in the same direction, it flows outward between the heat exchangers 4g and 4h into the upper annular space 42 'and finally, flowing inward between the heat exchangers 4f and 4g, reaches the outlet opening 51 of the heat exchanger system.
Each of the pipes 3g ... 3i initially extends radially to the associated disk of the heat exchanger, the radial section 38 located within the jacket 30 being cast around with aluminum. Each tube 3g runs in the disk. . 3i wound as a spiral 40, preferably as an involute with a small radial pitch, up to the inner edge of the disk. There, each of the tubes 3g ... 3i in each case passes into the level of the fins on the underside of the heat exchanger in question, where it is embedded as an involute tube 41 in a thickened fin 23 'which, like the neighboring fins, extends in an involute manner. At the outer edge of the disk, each involute tube 41 merges into a radial tube section 43 which penetrates the jacket 30 and is cast with aluminum within the jacket.
The tubes 3f and 3k also have radial tube sections 39, which are however located outside the annular spaces 42 and 42 'and merge into spiral tubes in the disk 4f and 4k.
At the inner edge of these two disks, the spiral tubes are led out of the disk upwards and downwards and continue as tubes 44 and 45, respectively. In order to keep the flow losses small on the water side, the changes in direction of the tube are chosen to be as small as possible by the fact that the water circles in the same way in a spiral tube 40 as in the involute tube 41. Since the direction of the involute tubes 41 changes due to the alternating direction on the successive lower ribs, the directions of rotation of the spiral tubes 40 of successive heat exchangers also change. Thus, the spiral tube 40 of the heat exchangers 4g and 4i is wound in a counterclockwise direction from the outside inwards, while that of the heat exchangers 4h and 4k runs clockwise from the outside inwards.
By arranging the involute tubes 41 on the underside of the disc 4g. . .4k is achieved that the spiral sections 40 of the pipes are better drained and that the gas cross sections run evenly. At the top heat exchanger 4f, these two advantages have been dispensed with, since the involute tube 44 is led upwards. On the other hand, this reduces the weight of the cast aluminum somewhat.
The pipes 3f. . .3k are expediently connected in series, according to the countercurrent principle, which cannot be implemented consistently here. According to an expedient circuit form, the pipe section 39 of the heat exchanger 4f is therefore connected to the involute pipe 41 of the heat exchanger 4g, the involute pipe 44 forming the water inlet. The pipe section 38 of the heat exchanger 4g is connected to the section 38 of the heat exchanger 4h, the involute pipe of which is connected to the section 38 of the heat exchanger 4i and finally the involute pipe of the heat exchanger 4i is connected to the section 39 of the heat exchanger 4k. Practical considerations as well as thermodynamic calculations can also lead to a different circuit.
While simple, straight ribs were always assumed in the exemplary embodiments discussed so far, it may also be expedient to branch the ribs, as is shown in FIG.
9 is shown. On the heat exchanger body 55, in which the tube 3 is cast, flat grooves 56 are screwed into which ribs 57 are soldered. These ribs 57 have a stem-shaped central rib 58, from each of which four branch ribs 59 branch off. 10 shows an improved form of branched ribs. The trunk fin 58 runs against the fin foot 54, corresponding to the increasing heat flow, thickened and the fins 59 are inclined so that the heat flow reaches the fin foot 54 in a shorter way.
10 are also arranged in such a way that the spaces for the medium flowing around the ribs have a hydraulic radius that changes as little as possible.
Ribs according to Fig. 10 are easy to cast, while the extrusion presents difficulties due to the uneven cross-sectional distribution. In this respect, the cross-sectional shapes according to FIGS. 11 and 12, which are assembled by soldering simple angle profiles 60, are more favorable. These can be formed by folding sheet metal or by extrusion. The profiles 60 are preferably joined together with a first, high-melting solder to form a branched rib, which is then soldered into the groove 56 of the heat exchanger 55 with a second, less high-melting solder.
In the exemplary embodiment according to FIG. 13, ribs 61 extend radially inward from a circular cylindrical heat exchanger 60, the ribs running along helical lines.
With this arrangement, the flow path becomes longer and at the same time the flow cross section becomes smaller, which can help to optimize the heat transfer.
14 shows the development of a heat exchanger with inclined, divided ribs. One (70) of the trailing edges 70, 71 of the ribs is rounded off with a large radius. As a result, the Coanda effect causes a thin layer of the medium flowing between the ribs to pass through the gap between successive ribs and into the next flow path. This phenomenon can further improve the heat transfer. The ribs shown inclined in FIG. 14 can also run in the axial direction, in which case the interruptions between the ribs can follow a helix.
The principle shown in FIG. 14 can of course also be applied to the flat heat exchanger according to FIG. 1.