CH666539A5

CH666539A5 - Waermetauscherrohr und daraus gebildeter waermetauscher.

Info

Publication number: CH666539A5
Application number: CH2837/84A
Authority: CH
Inventors: Franciscus Roffelsen
Original assignee: Spiro Research Bv
Priority date: 1983-08-30
Filing date: 1984-06-12
Publication date: 1988-07-29
Also published as: FR2551193B1; NL8402154A; AU570992B2; FR2551193A1; GB2146111B; SE8404302D0; GB2146111A; IT8448716A1; CA1235114A; US4655282A; GB8417481D0; JPS6073298A; SE8404302L; IT8448716A0; DE3331186A1; IT1178403B; AU3182884A

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherrohr, bestehend aus einem Kernrohr mit einer wendelartigen Bedrahtung über die Länge des Kernrohres. Die Erfindung betrifft weiterhin einen aus diesen Rohren gebildeten Wärmetauscher.

Derartige Rohre sind beispielsweise als Heizungsrohre bekannt aus dem Prospekt der Anmelderin «Spirotherm. The heating element for low water temperature». Ein zylindrisches Rohr dient hierbei als Trägerelement für Drahtwendeln aus Kupfer, die mit der Mantelfläche des Kernrohres zu einer Einheit verlötet sind und in Rohrachslängsrichtung gesehen einen kreisförmigen Querschnitt bilden. Die wirksame Oberfläche, d.h. die Fläche, die Wärme an die Umgebung abgibt, ist um ein vielfaches grösser als bei herkömmlichen Radiatoren. Der Bedarf an Wasser, das durch die Kernrohre geleitet wird, ist nur sehr gering, weshalb das Heizungssystem schnell anspricht. Selbst bei lediglich kleinen Unterschieden zwischen der Temperatur der Heizeinheit und der sie umgebenden Luft wird die Luft zwischen den Kupferdrahtspiralen in Bewegung versetzt. Die aufgeheizte Luft steigt nach oben und wird durch nachströmende Luft ersetzt, die dann ihrerseits von den Drahtspiralen aufgeheizt wird. Es entsteht ein Luftmassen-Kreislauf und, da jeweils grosse Mengen an Luft aufgeheizt werden, stellen sich gute Heizresultate schon bei einer gegenüber der gewünschten Raumtemperatur nur unwesentlich höheren Temperatur der Luftströme ein. Eine auf den Winterbetrieb bezogene Wassertemperatur von 50 Grad Celsius ist für die Heizung ausreichend, was gleichzeitig bedeutet, dass das Heizungssystem in Verbindung mit Solarzellen oder Wärmepumpen betrieben werden kann. Die vorgenannten Ergebnisse sind durch Versuche bestätigt worden.

Aus einer Vielzahl von derart bedrahteten Rohren lassen sich Wärmetauscher mit hervorragenden Eigenschaften herstellen, wobei die Rohre mit den am Umfang kreisförmigen Kupferdrahtwendeln entweder in geraden oder versetzten Reihen zueinander angeordnet werden. Im ersten Fall befinden sich die Längsachsen der Rohre immer übereinander und im anderen Fall sind die Längsachsen der jeweils unteren Rohrreihe gegenüber der oberen Rohrreihe um den halben Durchmesser versetzt und liegen somit genau in der von zwei Rohren gebildeten Lücke. Durch die versetzte Anordnung ergibt sich ein räumlicher Gewinn von etwa 13,5%. Eine darüber hinausgehende Verringerung des Raumbedarfs ist mit den bekannten Wärmetauscherrohren allerdings nicht möglich.

Weiterhin ergibt sich bei Rohren mit kreisförmigem Bedrahtungsquerschnitt, dass die zu einem Wärmetauscherbündel zusammengefassten Rohre sich im wesentlichen nur punktförmig bzw. linienförmig in den Tangentpunkten berühren, womit keine gegenseitige Abstützung erreicht werden kann. Das führt im Betrieb oftmals zu einem unangenehmen Sing- bzw. Pfeifton, hervorgerufen von Luft bzw. anderen, das Wärmetauscherbündel quer durchströmenden Medien. Zudem fangen die Heizungsrohre ab einer bestimmten Länge und bei begrenzter Strömgeschwindigkeit des aufzuheizenden oder abzukühlenden Mediums mit zunehmend hoher Frequenz des Tones an zu vibrieren. Hierbei verformen bzw. drücken sich die Rohre an ihren Berührungspunkten ein, so dass dazwischen freie Öffnungen entstehen, die ein stärkeres Schwingen zulassen, was schnell eine Kaltverformung bewirkt und in der Folge einen Rohrbruch begünstigt. Um dieser Gefahr vorzubeugen, werden die gebündelten Heizungsrohre in relativ kurzen Abständen durch Querwände abgestützt, wodurch aber die Konstruktion komplizierter wird und gleichermassen die Kosten steigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und mit geringstmöglichem baulichen Aufwand den Platzbedarf für ein Wärmetauscherbündel weiter zu verringern.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch eine Bedrahtung mit zumindest zwei sich gegenüberliegenden Flachbereichen gelöst, wobei nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine in Rohrachsenrichtung gesehen gleichseitige, hexagonale Querschnittsform der Bedrahtung vorgeschlagen wird.

Nach der Erfindung kann auch eine Doppelbedrahtung

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vorgesehen werden, die aus einer inneren Rundbedrahtung und einer aussenseitigen, hexagonal profilierten Bedrahtung besteht. Eine bevorzugte Ausgestaltung nach der Erfindung sieht vor, dass hexagonal bedrahtete Rohre wabenförmig gebündelt sind.

Die Erfindung weicht damit ab von dem bis dahin üblichen kreisförmigen Profil und erreicht durch die ebenen Flachbereiche sich gegenseitig unter- und abstützende Anlageflächen, womit zusätzliche Versteifungen und Stützen entfallen. Insbesondere bei einer wabenförmigen Bündelung der hexagonal profilierten Rohre wird gegenüber der versetzten Anordnung kreisförmiger Rohrquerschnitte ein weiterer räumlicher Gewinn von mehr als 20% erzielt. Im Verhältnis dieses Prozentsatzes kann die innere, von Wasser durchströmte Oberfläche vergrössert werden, ohne dass das Gesamtvolumen bzw. der Raumbedarf erhöht werden muss. Ausserdem stellt sich auch ein wärmetechnischer Vorteil ein, weil die Wärme über die sich grossflächig berührenden Bedrahtungs-Flachbereiche untereinander ausgetauscht werden kann. Das bewirkt eine gleichmässigere Temperaturverteilung mit einer gleichmässigeren Belastung der einzelnen Rohre des Wärmetauscherbündels. Weiterhin ist eine in Achsrichtung der Rohre begrenzte Beweglichkeit der Bedrahtung gewährleistet, was zu einem problemlosen dehnungsbedingten Längenausgleich beim Anheizen und Abkühlen führt. Ausserdem erleichtern die Flachbereiche den Bau eines einheitlichen Drahtblockes, der im Gegensatz zu einem Lamellenblock den grossen Vorteil besitzt, dass er in jeder Richtung turbulent von dem aufzuheizenden oder abzukühlenden Medium durchströmt werden kann.

Die Erfindung schlägt weiterhin vor, dass das Wärmeaustauscherrohr als Flachkernrohr mit profilierter Bedrahtung ausgeführt wird. Hierbei werden alle Drahtwendeln bzw. -schleifen parallel und vollständig im Querstrom angeblasen. Der Widerstand ist durch das flache Kernrohr auf ein Minimum herabgesetzt.

Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass das Wärmetauscherrohr mit kreisförmigem oder profiliertem Kernrohr spiralförmig nach Art einer Uhrfeder oder wendeiförmig nach Art einer Zugfeder gebogen wird. Insbesondere bei haarnadelartig gebogenen Wärmetauscherrohren bietet sich der Vorteil, dass ein zusätzlicher Flüssigkeits-(Wasser-) Sammelkasten an der dem Wassereintritt gegenüberliegenden Austrittsseite des Wärmetauscherbündels nicht mehr erforderlich ist, wodurch die Baukosten weiter herabgesetzt werden.

Die Flachbereiche der profilierten Wärmetauscherrohre ermöglichen nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung, dass die in einem Wärmetauscherbündel einander anliegenden Flachbereiche mit einem wärmeleitenden Metallklebestoff versehen werden können. Es können aber auch gleiche Flachbereiche trocken, also ohne Zwischenschicht, zur Anlage aneinander gebracht werden, wobei der Verbund danach bandagiert wird. Das kann beispielsweise mit aufgezogenen Umschliessungsbändern erfolgen. Die Flachbereiche der Drahtwendeln besitzen einen hohen Widerstand gegen Flächendruck, so dass die umschlingenden Bänder eine feste Versteifung gewährleisten. Zu einem festen Wärmetauscher-Block geklebte oder bandagierte Wärmetauscherrohre, wie Heizungsrohre, brauchen zum Einbau und zur Stützung keinen besonderen Tragrahmen mehr.

Das Aufnehmen von Biegekräften und das Vermeiden von Verformungen lässt sich auch durch einen ein Wärmetauscherbündel umschliessenden Rahmen sowie Zwischenblechen zwischen einander zugekehrten Flachbereichen erreichen. Auf einen U-förmigen Rahmen aufgesetzte Klammern wirken sich dabei unterstützend aus.

Beim Herstellen eines zylindrischen Kernrohres oder eines

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Flachkernrohres mit einer hexagonalen bzw. gegenüberliegende Flachbereiche aufweisende Bedrahtung, was mittels eines schrittweisen Walzverfahrens erfolgt, werden die Drahtwendeln nicht ineinander geschoben, sondern sie liegen frei. Die Wendelsteigung wird entsprechend dem Biegeradius so gewählt, dass die Verlötung am Wendelfuss, d.h. die Verbindung zwischen der Wendel und dem Rohr durch die Stauchung beim Biegen, d.h. auf der konkaven Seite, nicht bricht. Auf der Aussenseite, d.h. auf der konvexen Seite, existiert aufgrund der Zugbelastungen dasselbe Problem, denn dort wird nicht gestaucht, sondern gereckt, so dass auch hierfür als Grenze der Steigung die Belastungsmöglichkeit in Abhängigkeit vom Radius gilt.

In den Zeichnungen sind nachfolgend näher beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes Heizungsrohr mit kreisförmiger Aus-senbedrahtung;

Fig. 2 das von einem zylindrischen Mantelrohr aufgenommene bedrahtete Rohr gemäss Fig. 1 ;

Fig. 3 das Rohr gemäss Fig. 2 mit kreisförmiger Aussenbe-drahtung und Kopfdraht ;

Fig. 4 das Heizungsrohr mit aussenseitig hexagonalem Bedrahtungs-Querschnitt nach der Erfindung;

Fig. 5 eine abgewandelte Ausführung des Gegenstandes gemäss Fig. 4;

Fig. 6 eine Seitenansicht des Gegenstandes gemäss Fig. 5 ;

Fig. 7 ein wabenförmig zusammengesetztes Rohrbündel, bestehend aus einer Vielzahl von Sechskant-Heizungs-rohren;

Fig. 8 eine andere Ausführungsform der Erfindung mit einem Flachrohr und profilierter Bedrahtung;

Fig. 9 eine Seitenansicht des Gegenstandes gemäss Fig. 8 ;

Fig. 10 den Querschnitt eines haarnadelartig gebogenen Heizungsrohres mit einem oberen und einem unteren Flachbereich;

Fig. 11 eine Seitenansicht des Gegenstandes gemäss Fig.

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Fig. 12 die Seitenansicht eines haarnadelartig gebogenen Flachrohres ; und

Fig. 13 einen Schnitt durch ein zu einem Heizblock zusammengedrücktes Wärmetauscherrohr gemäss Fig. 12 entlang der Linie XII-XII.

In den Fig. 1 bis 3 sind bekannte, insgesamt mit 1 bezeichnete Wärmetauscherrohre, hier Heizungsrohre, mit kreisförmiger Bedrahtung in verschiedenen Herstellungsphasen dargestellt. Gemäss Fig. 1 besteht die Bedrahtung aus einzelnen Drähten 2, die aussen auf das zylindrische Kernrohr 3 aufgelötet sind und als Wendeln ihrerseits wendeiförmig auf das Rohr aufgelegt sein können. Wenn nachfolgend von «Drähten» gesprochen wird, dann sind darunter insbesondere auch Drahtwendeln zu verstehen. Als Drahtmaterial eignet sich wegen der guten Wärmeleitfähigkeit bevorzugt Kupfer. Gemäss Fig. 2 hüllt ein Mantelrohr 4 das bedrahtete Kernrohr 3 ein und gemäss Fig. 3 sind auf das Mantelrohr 4 noch einmal Drähte aufgelötet, die an ihren äusseren Enden durch einen Kopf draht 5 miteinander verbunden und somit versteift sind. Das Befestigen der Drähte 2 kann auch erfolgen, indem die Drähte durch das Mantelrohr 4 geführt sind und in den Durchgängen verlötet werden. Der Aufbau gemäss Fig. 3 kann als Ausgangskonzeption für eine erfin-dungsgemässe Doppelbedrahtung angesehen werden, wie sie in Fig. 4 dargestellt wird.

Das gemäss Fig. 4 hexagonal profilierte Heizungsrohr 1 weist eine innere Rundbedrahtung 6 auf, die ebenso wie der Gegenstand gemäss Fig. 2 von zwischen dem Mantelrohr 4 und dem Kernrohr 3 aufgelöteten Drähten gebildet wird.

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Aussen befindet sich eine im Querschnitt hexagonale Bedrahtung 7 mit Flachbereichen 13, die am Umfang durch Kopfdrähte 8 versteift ist. Die Drähte können auch hierbei wieder einstückig ausgeführt sein und in Durchgängen des Mantelrohres 4 verlötet werden. Es ist auch möglich, über die Drahtenden ein dem gewünschten Profil entsprechendes Hüllrohr zu schieben, das in dem Beispiel gemäss Fig. 4 ein Sechskantrohr sein müsste und welches sich über die gesamte Länge des Kernrohres erstreckt.

Die Fig. 5 zeigt ein Heizungsrohr 1, bei dem die hexagonal profilierte Bedrahtung 7 ohne ein dazwischen vorgesehenes Mantelrohr unmittelbar auf das zylindrische Kernrohr 3 aufgelötet worden ist. Eine Drahtwendel 9 besteht hierbei aus offenen Wendelgängen 12 (Fig. 6). In der Ausführung mit offenen Wendelgängen 12 lässt sich das Kernrohr gut biegen. Selbstverständlich lassen sich die Wendelgänge 12 auch ineinander schieben, so dass die Flachbereiche 13 der Wendelgänge 12 einen einheitlich durchgehenden Flächenabschnitt bilden, wie das auch bei einem aufgezogenen profilierten Hüllrohr der Fall ist. Eine Vielzahl der Heizungsrohre 1 mit Sechskant-Querschnitt bilden gemäss Fig. 7 ein Wärmetauscherbündel 14, das sich raumsparend in Wabenform zusammensetzen lässt, wobei die Flachbereiche 13 der einzelnen Heizungsrohre 1 gegenseitige Abstützungs-und Anliegeflächen bieten.

Bei der Ausführung gemäss Fig. 8 weist das Heizungsrohr 1 ein Flachkernrohr 15 auf, das als Trägerelement für aufgelötete Drähte 2 dient, die als eine profilierte Bedrahtung 16 in Form trapezartiger Wendelgänge 17 mit sich hieraus einstellenden grossen oberen und unteren Flachbereichen 13 ausgeführt sind (Fig. 9). Ein Flachkernrohr 15 lässt sich besonders gut, z.B. Schnecken- oder wendelartig, biegen und zu einem Block zusammenfassen, wobei sich insbesondere dann mehrreihige Heizblöcke 18 einfach herstellen lassen, beispielsweise gemäss Fig. 12 ein vierreihiger Block, wenn das Flachkernrohr 15 haarnadelartig gebogen wird. Es kann das Flachkernrohr 15 dann auch noch weiter zusammengebogen und

-gedrückt werden, bis auf derselben Seite des Flachkernrohres liegende Flachbereiche 13 einander berühren. In dieser Lage können die Flächen miteinander verklebt werden oder es kann der gesamte Block mit aufgezogenen s Umschliessungsbändern bandagiert werden. Die auf die Wände des Flachkernrohres 15 des Heizblocks 18 ausgeübten, durch Pfeile 26 verdeutlichten Biegekräfte lassen sich gemäss Fig. 13 über die Drahtschleifpakete 27 bildende Bedrahtung auf zwischen einander zugekehrte Flachbereiche io eingesetzte Zwischenbleche 28 übertragen. Das seitliche Ausdehnen fängt sodann ein den Heizblock 18 umfassender U-förmiger Rahmen 29 auf, den an beiden Seiten mit Abstand zueinander verteilt angeordnete Klammern 30 gegen ein Ausbiegen schützen. Die streifenartigen IClam-15 mern 30 sind dazu an einem Ende umgebogen und greifen mit den so gebildeten Haken über einen Flansch des U-för-migen Rahmens 29. Am entgegengesetzten Ende verbinden Schrauben die Klammern 30 mit dem Rahmen 29 und sichern die Lage des zu dem Heizblock 18 zusammengedrückten bzw. -gezogenen Flachkernrohres 15. Durch die Zwischenlage der Bleche 28 wird von einer Rohrlage zur anderen der Betriebsdruck bis auf die äusseren Wandteile des den gesamten Heizblock 18 umfassenden Rahmens 29 übertragen.

Eine Haarnadelform, die anliegende Flachbereiche 13 schafft und so zu einem geschlossenen Block 22 führt (Fig. 11), lässt sich vorteilhaft auch aus einem Heizungsrohr 1 biegen, wie es in Fig. 10 und 11 dargestellt ist. Auf einem zylindrischen Kernrohr 3 befindet sich hierbei ein im wesentlichen zylindrisches Bedrahtungsprofil 19, welches jeweils eine obere und eine untere Abplattung des Zylinders aufweist, die die Flachbereiche 13 bilden. Haarnadelartig gebogene Heizblöcke 18,22 reduzieren den Bauaufwand, da Wasserzulauf 23 und Wasserrücklauf 24 an ein und derselben Seite des Heizblockes 18 bzw. 22 angeordnet werden. Ein zusätzlicher Wasser-Sammelkasten an der anderen Seite des Blockes ist bei dieser Lösung nicht erforderlich.

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2 Blatt Zeichnungen

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1. Wärmetauscherrohr, bestehend aus einem Kernrohr mit einer wendelartigen Bedrahtung über die Länge des Kernrohres, gekennzeichnet durch eine Bedrahtung (7, 16, 19) mit zumindest zwei sich gegenüberliegenden Flachbereichen (13).

2. Wärmetauscherrohr nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch parallele, ebene Flachbereiche (13).

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PATENTANSPRÜCHE

3. Wärmetauscherrohr nach Patentanspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine in Rohrachsenrichtung gesehen gleichseitige, hexagonale Querschnittsform der Bedrahtung.

4. Wärmetauscherrohr nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Doppelbedrahtung, bestehend aus einer inneren Rundbedrahtung (6) und einer aus-senseitigen, hexagonal profilierten Bedrahtung (7) (Fig. 4).

5. Wärmetauscherrohr nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine aus offenen Wendelgängen (12) mit trapezförmigem Querschnitt bestehende Drahtwendel (9) als Bedrahtung (Fig. 6; 9).

6. Wärmetauscherrohr nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtwendel (9) ineinander geschobene Wendelgänge (12) aufweist.

7. Wärmetauscherrohr nach einem der Patentansprüche 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherrohr ( 1 ) als Flachkernrohr (15) mit profilierter Bedrahtung (16) ausgeführt ist (Fig. 8).

8. Wärmetauscherrohr nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherrohr ( 1 ) spiralförmig gebogen ist.

9. Wärmetauscherrohr nach einem der Patentansprüche 1 bis 7. gekennzeichnet durch eine Wendelform des Wärmetauscherrohrs (1).

10. Wärmetauscherrohr nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Haarnadelform des Wärmetauscherrohrs ( 1 ).

11. Wärmetauscher mit Rohren nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass hexagonal bedrahtete Rohre ( 1 ) wabenförmig gebündelt sind.

12. Wärmetauscher nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass einander anliegende Flachbereiche (13) mit einem wärmeleitenden Metallklebstoff versehen sind.

13. Wärmetauscher nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachbereiche (13) einander ohne Zwischenschicht anliegen und gebündelte Wärmetauscherrohre ( 1 ) bandagiert sind.

14. Wärmetauscher nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenbleche (28) zwischen einander zugekehrten Flachbereichen (13) angeordnet sind und gebündelte Wärmetauscherrohre (1) von einem Rahmen (29) umschlossen sind.

15. Wärmetauscher nach Patentanspruch 14, gekennzeichnet durch einen U-förmigen Rahmen (29) mit aufgesetzten Klammern (30).