DE102007039078A1

DE102007039078A1 - Lamellenwärmeübertrager

Info

Publication number: DE102007039078A1
Application number: DE200710039078
Authority: DE
Inventors: Marc Dr. Stricker; Bernd Dr. Hachmann
Original assignee: Broekelmann Aluminium F W; Fw Brokelmann Aluminiumwerk & Co KG GmbH; Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Broekelmann Aluminium F W; Fw Brokelmann Aluminiumwerk & Co KG GmbH; Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2007-08-19
Filing date: 2007-08-19
Publication date: 2009-02-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lamellenwärmeübertrager, umfassend mindestens ein ein Wärmeträgermedium führendes Rohrelement (1), mehrere das Rohrelement (1) umschließende Distanzelemente (3) und jeweils ein zwischen zwei Distanzelementen (3) angeordnetes, das Rohrelement (1) umschließendes Lamellenelement (2), wobei jedes Distanzelement (3) durch Aufweitung des Rohrelements (1) an diesem fixiert ist und wobei die Lamellenelemente (2) und die Distanzelemente (3) vor Aufweitung des Rohrelements (1) in Axialrichtung des Rohrelements (1) gesehen zueinander verpresst angeordnet sind. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass die Distanzelemente (3) eine Wärmeleitfähigkeit lambda von mindestens 2 W/mK aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lamellenwärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Lamellenwärmeübertrager der eingangs genannten Art ist nach der DE 296 13 458 U1 bekannt. Dieser Lamellenwärmeübertrager besteht aus mindestens einem ein Wärmeträgermedium führenden, metallischen Rohrelement, mehreren das Rohrelement umschließenden Distanzelementen und jeweils einem zwischen zwei Distanzelementen angeordneten, das Rohrelement umschließenden, metallischen Lamellenelement. Dabei ist jedes Distanzelement durch Aufweitung des Rohrelements an diesem fixiert. Ferner sind die Lamellenelemente und die Distanzelemente vor Aufweitung des Rohrelements in Axialrichtung des Rohrelements gesehen zueinander verpresst angeordnet.
Zur Vermeidung von Korrosionsproblemen sind bei dieser bekannten Lösung die Distanzelemente aus Kunststoff gebildet. Insbesondere mit Verweis auf 3 und 4 dieser Gebrauchsmusterschrift ist vorgesehen, dass der das Distanzelement bildende Kunststoff während des Aufweitens des Rohres zwischen den Krägen und den Lamellen verdrängt (plastisch verformt) wird und so die Freiräume zwischen den gekrümmten Bereichen der Krägen und dem Rohr füllt.
Die Lamellenelemente gemäß der DE 296 13 458 U1 weisen, wie bereits erwähnt, am Übergangsbereich zum Rohrelement so genannte "Krägen" auf, da die Aufweitung des Rohrelements eine gewisse Stabilität der regelmäßig sehr dünn ausgebildeten Lamellenelemente erfordert, da diese ansonsten beim Aufweiten leicht beschädigt werden könnten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lamellenwärmeübertrager der eingangs genannten Art aus wärmetechnischer Sicht zu verbessern.
Diese Aufgabe ist mit einem Lamellenwärmeübertrager der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass die Distanzelemente eine Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens 2 W/mK aufweisen.
Mit anderen Worten ausgedrückt, sind erfindungsgemäß Distanzelement mit im Vergleich zu "normalem" Kunststoff (Anmerkung: gemeint sind im Prinzip ungefüllte oder gering gefüllte Standard- oder Technische Thermoplaste, also zum Beispiel: Polypropylen, Polyethylen, Polyoxymethylen, Polyamid etc.) deutlich verbesserten Wärmeleitfähigkeitseigenschaften vorgesehen. Der nach der DE 296 13 458 U1 vorgesehene Kunststoff dürfte absehbar lediglich eine Wärmeleitfähigkeit λ von etwa 0,5 W/mK aufweisen, was bezüglich des angestrebten Korrosionsschutzes unproblematisch, bezüglich der Wärmeübertragungseigenschaften aber – wie sich erfindungsgemäß gezeigt hat – ungünstig ist.
Bevorzugt werden natürlich Distanzelemente mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von mehr als 8 W/mK (zum Beispiel Edelstähle aber auch sogenannte gefüllte Kunststoffe), noch bevorzugter mit mehr als 100 W/mK (zum Beispiel Aluminium-Legierungen) und insbesondere mit mehr als 350 W/mK (zum Beispiel Kupfer) verwendet.
Diese sich damit eindeutig von der Lösung nach der DE 296 13 458 U1 unterscheidende Maßgabe hat weitreichende Konsequenzen, wenn man berücksichtigt, dass aufgrund der guten Wärmeübertragung vom Rohrelement über das Distanzelement auf das Lamellenelement auf Kragen an den Lamellenelementen verzichtet werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die Fixierung der Lamellenelemente am Rohr weder durch eine Lötverbindung noch durch eine Verspannung mit dem Rohrelement, sondern vielmehr dadurch bewirkt, dass die Distanzelemente beim Aufweiten des Rohres mit diesem verspannt werden. Da ferner das Paket aus Distanz- und Lamellenelementen vor der Aufweitung des Roh res in Axialrichtung verspannt wurde, sind die Lamellenelemente nach dem Aufweiten gegebenenfalls auch ohne Kontakt zum Rohrelement durch den Kraftschluss "Rohrelement-Distanzelement" und "Distanzelement-Lamellenelement" sicher am Rohrelement fixiert. Die Wärmeübertragung erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung im Unterschied zur Lösung nach der DE 296 13 458 U1 insbesondere wie folgt (der Einfachheit halber nur eine Richtung betrachtet, umgekehrt gilt im Prinzip das Gleiche): Vom Wärmeträgermedium ans Rohr, vom Rohr an die Distanzelemente und von den Distanzelementen an die Lamellenelemente. Sollte das Lamellenelement Kontakt zum Rohrelement haben, kann die Wärmeübertragung natürlich auch direkt vom Rohrelement ans Lamellenelement erfolgen; dieser bei der DE 296 13 458 U1 zwingend vorgesehene Wärmefluss ist nach der erfindungsgemäßen Lösung aber nicht der quantitativ entscheidende Weg.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Lamellenwärmeübertragers und seiner Herstellung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Der Vollständigkeit halber wird noch auf die DE 10 2006 037 489 A1 hingewiesen, die sich aber schon dadurch vom erfindungsgemäßen Lamellenwärmeübertrager unterscheidet, dass bei dieser das Rohrelement nicht aufgeweitet wird.
Der erfindungsgemäße Lamellenwärmeübertrager einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
Es zeigt jeweils im Schnitt
1 den erfindungsgemäßen Lamellenwärmeübertrager vor der Axialverpressung der Distanzelemente und vor der Aufweitung des Rohrelements; und
2 den Lamellenwärmeübertrager nach der Axialverpressung der Distanzelemente und nach der Aufweitung des Rohrelements.
In den 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lamellenwärmeübertragers dargestellt. Diese umfasst mindestens ein ein Wärmeträgermedium führendes Rohrelement 1, mehrere das Rohrelement 1 umschließende Distanzelemente 3 und jeweils ein zwischen zwei Distanzelementen 3 angeordnetes, das Rohrelement 1 umschließendes, kragenfrei ausgebildetes Lamellenelement 2, wobei jedes Distanzelement 3 durch Aufweitung des Rohrelements 1 an diesem fixiert ist und wobei die Lamellenelemente 2 und die Distanzelemente 3 vor Aufweitung des Rohrelements 1 in Axialrichtung des Rohrelements 1 gesehen zueinander verpresst angeordnet sind.
Wie auch beim vorerwähnten Stand der Technik sind das vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisende Rohrelement 1 und die Lamellenelemente 2 metallisch ausgebildet. Andere Materialien mit guten Wärmeleitfähigkeitseigenschaften, wie "gefüllter" Kunststoff (Kunststoff mit Graphiteinschlüssen), Graphit, Keramiken oder dergleichen kommen aber je nach Einsatzzweck auch in Betracht.
Als Wärmeträgermedium kommt letztlich jedes Fluid in Betracht, das zur Wärmeübertragung geeignet ist. Beispielsweise kann Wasser als Wärmeträgermedium verwendet werden. Dieses würde beispielsweise dann eingesetzt werden, wenn der erfindungsgemäße Lamellenwärmetauscher als Teil einer Sorptionsvorrichtung verwendet würde (siehe hierzu zum Beispiel die DE 103 10 748 B3 ). Für diesen speziellen Einsatzzweck ist im übrigen vorgesehen, dass die Lamellenelemente 2 mit einem Sorptionsmittel, vorzugsweise Zeolith, versehen sind, d. h. der Wärmetauscher den Sorberträger bildet.
Wesentlich für den erfindungsgemäßen Lamellenwärmeübertrager ist nun, dass die Distanzelemente 3 eine Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens 2 W/mK aufweisen. Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Distanzelemente 3 eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 8 W/mK, vorzugsweise mehr als 100 W/mK, besonders bevorzugt mehr als 350 W/mK aufweisen.
In diesem Zusammenhang ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Distanzelemente 3 aus Metall, insbesondere aus Edelstahl (zum Beispiel Güteklasse 1.4XXX), Aluminium (zum Beispiel auch eine Aluminiumlegierung mit Magnesium), Kupfer, Messing, oder aus Keramik (zum Beispiel Silicium-Silicium-Karbid) oder aus graphithaltigem Kunststoff (zum Beispiel PVDF+C mit mehr als 50% Graphit) gebildet sind.
Um bei guter Wärmeübertragungsleistung gleichzeitig eine ausreichende Festigkeit des Wärmetauschers zu gewährleisten, sind die Distanzelemente 3 bei allen Ausführungsformen aus einem Material mit einer Streckgrenze von mehr als 85 N/mm² (bei 25°C Umgebungstempertur), vorzugsweise mehr als 120 N/mm², besonders bevorzugt mehr als 200 N/mm², gebildet. Ein Material mit dieser Festigkeit, die deutlich über der Festigkeit von "normalem" Kunststoff liegt, hat sich für den vorbeschriebenen Aufweitungsprozess der Distanzelemente 3 als besonders geeignet erwiesen.
In 1 ist der Zustand vor Aufweitung des Rohres und auch vor Verpressung in Axialrichtung dargestellt. Zur Herstellung des Lamellenwärmeübertragers werden, wie aus 1 ersichtlich, auf ein Rohrelement 1 mehrere dieses umschließende Distanzelemente 3 aufgeschoben, wobei zwischen zwei Distanzelementen 3 jeweils ein das Rohrelement 1 umschließendes Lamellenelement 2 angeordnet ist und wobei in einem ersten Schritt die Lamellenelemente 2 und die Distanzelemente 3 in Axialrichtung des Rohrelements 1 gesehen verpresst werden und in einem zweiten Schritt das Rohrelement 1 aufgeweitet wird. Dieser "End"-Zustand ist in 2 dargestellt.
Bezüglich der Distanzelemente 3 ist bei der bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass jedes eine Rohrdurchgangsöffnung aufweist, deren Durchmesser vor Aufweitung des Rohrelements 1 größer als der Außendurchmesser des Rohrelements 1 ist und deren Durchmesser nach Aufweitung des Rohrelements 1 und nach Verformung des Distanzelements 3 genau dem Außendurchmesser des Rohrelements 1 entspricht. Diese Maßgabe gewährleistet einen möglichst passgenauen Sitz des Distanzelements 3 auf dem Rohrelement 1.
Eine fertigungstechnisch leicht herzustellende und beim Zusammenbau leicht handhabbare Ausführungsform des Distanzelements 3 besteht darin, dieses als zylindrischen Ring auszubilden. In 1 und 2 ist dieser Ring jeweils im Schnitt dargestellt; seine vollständige Gestalt als Ringkörper ist damit ohne Weiteres vorstellbar.
Zur weiteren Verbesserung der Wärmeübertragung ist vorgesehen, dass jedes Distanzelement 3 an der Rohrdurchgangsöffnung eine Rohrkontaktfläche und zum benachbarten Lamellenelement 2 eine Lamellenkontaktfläche aufweist. Erfindungsgemäß sind somit nicht lediglich Kontaktlinien (wie beim Stand der Technik), sondern eben Kontaktflächen vorgesehen, wobei durch die Axialverpressung und die Rohraufweitung stets ein vollflächiges Anliegen der Bauteile aneinander gewährleistet ist.
Gemäß der in den 1 und 2 dargestellten, bevorzugten Ausführungsform ist bezüglich obiger Maßgabe präzisiert vorgesehen, dass die Rohrkontaktfläche des Distanzelements 3 als Zylindermantelfläche und die Lamellenkontaktfläche des Distanzelements 3 als konzentrische Kreisfläche ausgebildet ist.
Um einen möglichst gleichmäßigen Wärmeübergang vom Wärmeträgermedium zu den Lamellenelementen (oder umgekehrt) zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen der Rohrkontaktfläche und der Lamellenkontaktfläche in Abhängigkeit von wärmetechnischen Werkstoffkennwerten (zum Beispiel Wärmedurchgangswiderstand) des Rohrelements 1, des Distanzelements 3 und des Lamellenelements 2 abgestimmt bzw. festgelegt ist.
Bestünde der gesamte Lamellenwärmeübertrager beispielsweise aus dem gleichen Werkstoff, so könnte vorgesehen sein, dass die Lamellenkontaktfläche zu den Distanzelementen größenmäßig etwa der halben Rohrkontaktfläche zu den Distanzelementen entspricht. Diese Maßgabe hat zur Folge, dass der übertragene Wärmestrom gewissermaßen nicht an "flächenmäßigen Engstellen" behindert wird, wobei die Vorgabe "halbe Rohrkontaktfläche" berücksichtigt, dass außer an den Rändern des Lamellenwärmeübertragers jedes Distanzelement mit zwei Lamellenelemente im Wärmekontakt steht, d. h. der Wärmestrom vom Rohrelement auf das Distanzelement und dann vom Distanzelement an zwei Lamellenelemente weitergegeben wird.
Bezüglich der Lamellen ist ferner vorgesehen, dass jedes dieser Elemente 2 eine Rohrdurchgangsöffnung aufweist, deren Durchmesser mindestens gleichgroß wie der Außendurchmesser des aufgeweiteten Rohrelements 1 ist. Wie ohne Weiteres verständlich, gewährleistet diese Maßgabe, dass die Lamellenelemente 2 während der Aufweitung des Rohrelements 1 nicht verformt werden. Da ferner der Hauptanteil des Wärmestroms erfindungsgemäß über die Distanzelemente 3 fließt, kann auch ohne großen wärmetechnischen Nachteil und im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik, ein Spalt zwischen dem Rohrelement 1 und den Lamellenelemente 2 verbleiben.
Alternativ kann schließlich aber auch bei entsprechend formstabilen Lamellenelementen und einem vergleichsweise weichen Rohrelement vorgesehen sein, dass jedes Lamellenelemente 2 eine Rohrdurchgangsöffnung aufweist, deren Durchmesser gleichgroß wie der Außendurchmesser des nicht aufgeweiteten Rohrelements 1 ist. Diese Maßgabe berücksichtigt nämlich die Option, dass das Rohrelement 1 bei Aufweiten aufgrund der nicht nachgebenden Lamellenelemente 2 eine Verformung erfährt, die gewissermaßen eine Art Rippenprägung im Rohrelement 1 hervorruft, welche ihrerseits vorteilhaft zu einer Verwirbelung des Wärmeträgermediums und damit letztlich zu einer Verbesserung der Wärmeübertragung führt.

1: Rohrelement
2: Lamellenelement
3: Distanzelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 29613458 U1 [0002, 0004, 0008, 0010, 0010, 0010]
- DE 102006037489 A1 [0012]
- DE 10310748 B3 [0019]

Claims

Lamellenwärmeübertrager, umfassend mindestens ein ein Wärmeträgermedium führendes Rohrelement (1), mehrere das Rohrelement (1) umschließende Distanzelemente (3) und jeweils ein zwischen zwei Distanzelementen (3) angeordnetes, das Rohrelement (1) umschließendes Lamellenelement (2), wobei jedes Distanzelement (3) durch Aufweitung des Rohrelements (1) an diesem fixiert ist und wobei die Lamellenelemente (2) und die Distanzelemente (3) vor Aufweitung des Rohrelements (1) in Axialrichtung des Rohrelements (1) gesehen zueinander verpresst angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzelemente (3) eine Wärmeleitfähigkeit λ von mindestens 2 W/mK aufweisen.
Lamellenwärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzelemente (3) eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 8 W/mK, vorzugsweise mehr als 100 W/mK, besonders bevorzugt mehr als 350 W/mK aufweisen.
Lamellenwärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzelemente (3) aus einem Material mit einer Streckgrenze bei 25°C von mehr als 85 N/mm², vorzugsweise mehr als 120 N/mm², besonders bevorzugt mehr als 200 N/mm2, gebildet sind.
Lamellenwärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzelemente (3) aus Metall, insbesondere aus Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Messing, oder aus Keramik oder aus graphithaltigem Kunststoff gebildet sind.
Lamellenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (1) und/oder die Lamellenelemente (2) metallisch ausgebildet sind.
Lamellenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Distanzelement (3) eine Rohrdurchgangsöffnung aufweist, deren Durchmesser vor Aufweitung des Rohrelements (1) größer als der Außendurchmesser des Rohrelements (1) ist und deren Durchmesser nach Aufweitung des Rohrelements (1) und nach Verformung des Distanzelements (3) genau dem Außendurchmesser des Rohrelements (1) entspricht.
Lamellenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Distanzelement (3) als zylindrischer Ring ausgebildet ist.
Lamellenwärmeübertrager nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Distanzelement (3) an der Rohrdurchgangsöffnung eine Rohrkontaktfläche und zum benachbarten Lamellenelement (2) eine Lamellenkontaktfläche aufweist.
Lamellenwärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrkontaktfläche des Distanzelements (3) als Zylindermantelfläche und die Lamellenkontaktfläche des Distanzelements (3) als konzentrische Kreisfläche ausgebildet ist.
Lamellenwärmeübertrager nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Rohrkontaktfläche und der Lamellenkontaktfläche in Abhängigkeit von Werkstoffkennwer ten des Rohrelements (1), des Distanzelements (3) und des Lamellenelements (2) abgestimmt ist.
Lamellenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Lamellenelement (2) eine Rohrdurchgangsöffnung aufweist, deren Durchmesser mindestens gleichgroß wie der Außendurchmesser des Rohrelements (1) ist.
Lamellenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenelemente (2) kragenfrei ausgebildet sind.
Lamellenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenelemente (2) mit einem Sorptionsmittel, vorzugsweise Zeolith, versehen sind.