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Die
Erfindung betrifft ein Wärmetauscher-Element, einsetzbar
in Wärme- und Kälteübertragungssystemen.
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Wärmetauscher-Elemente
und Wärmeübertragungssysteme in Form von Wärmetauschern
sind allgemein bekannt, die mit ein verdampfendes Arbeitsmedium
führenden Wärmetauscherrohren ausgebildet und
mit einem zu übertragender Wärmeenergie führenden
Wärmeenergieträger beaufschlagbar sind.
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Dabei
sollen die Wärmetauscher besonders effektiv eine Wärmeübertragung
zwischen zwei getrennt voneinander strömenden Medien ermöglichen, d.
h. sie sollen mit möglichst wenig Austauschfläche möglichst
viel Wärme übertragen. Zugleich sollen sie den
Stoffströmen nur einen geringen Widerstand entgegensetzen,
damit möglichst wenig Energie für den Betrieb
der zur Förderung eingesetzten Pumpen aufgewendet werden
muss. Werden stark aggressive bzw. korrosive Medien eingesetzt und
diese weisen Temperaturen von mehr als 200°C auf, müssen
alle im Wärmetauscher mit dem Medium in Kontakt stehenden
Werkstoffe ausreichend korrosionsbeständig sein. So ist
bekannt, dass gesinterte SiC-Keramiken eingesetzt werden, die als
Korrosionsschicht auf den jeweiligen metallischen Oberflächen
aufgebracht werden.
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Die
Beschichtung der Körper mit korrosionsbeständigen
Schichten, beispielsweise einer gesinterten SiC-Keramik, beschreibt
die
DE 10 2006
013 503 A1 .
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Ein
weiterer Wärmetauscher ist mit der
DE 100 32 302 A1 bekannt
geworden, der als Wärmereaktor bezeichnet wird, wobei in
den Einrichtungen dieses Rohrreaktors zur Wärmeübertragung
Wärmetauscherplatten vorgesehen sind, die in wechselnder Folge
an den Wandungen des Wärmetauschers/Rohrreaktors angeordnet
sind. Dabei ist diese Anordnung der Wärmetauscherplatten
so gewählt, dass sie gleichfalls Durchtrittsöffnungen
innerhalb des Wärmetauschers besitzen, über die
das Wärmetauschmittel mäanderförmig geführt
wird.
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Einen
Wärmeübertrager für flüssige
und gasförmige Medien beschreibt die
DE 20 13 940 A1 , der einen
rohrförmigen, im Querschnitt runden oder eckigen Außenmantel
besitzt, in dessen Innenraum mindestens ein, vorzugsweise mehrere,
außenseitig mit Rippen oder Lamellen versehene Wärmetauscherrohre
angeordnet sind und in dem Umlenkbleche zum Umlenken des die Wärmetauscherrohre
außenseitig umspülenden Mediums in einen schlangenlinienförmigen
Strömungsweg durch den Innenraum des Außenmantels
vorgesehen sind.
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Dies
erfolgt derart, dass die Umlenkbleche zumindest auf dem überwiegenden
Teil ihres Umfanges im Wesentlichen die gleichen Abmessungen und die
gleiche Ausbildung wie die Rippen oder Lamellen des oder der Wärmetauscherrohre
besitzen, welche fest mit den Wärmetauscherrohren verbunden
sind. In gleicher Weise sind die Rippen oder Lamellen auf das oder
die Wärmetauscherrohre aufgebracht und auf diesen befestigt,
wobei sowohl die Umlenkbleche als auch die Rippen bzw. Lamellen
mit einem wesentlichen Teil ihres Umfanges dichtend an der Innenfläche
des Außenmantels anliegen, jedoch die Umlenkbleche an einer
und die Rippen bzw. Lamellen an zwei einander gegenüberliegenden
Stellen ihres Umfanges einen Durchlass zwischen Wärmetauscherrohr
und Außenmantel in axialer Richtung freilassen.
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Das
Problem bei dieser Lösung ist insbesondere die Anordnung
und Befestigung der Rippen bzw. der Lamellen zum jeweiligen Rohr.
Mit diesem Problem der Befestigung der Wärmetauscherbleche zum
jeweiligen Siederohr befasst sich auch die
DE 10 2007 046 403 A1 ,
bei der die Wärmeleitbleche mit einem mit einer Bördelung
versehenen Kragen ausgebildet sind, mit dem die Wärmeleitbleche
an dem jeweiligen Siederohr anliegen und über diesen befestigt
werden.
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Unter
Beachtung dieser Nachteile ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Wärmetauscher-Element, einsetzbar in Wärme-
und Kälteübertragungssystemen, vorrangig für
Wärmetauscher bereitzustellen, welches als ein Siederohr
mit am äußeren Umfang vorgesehenen Rippen auszubilden
ist, wobei die Rippen form- und kraftschlüssig mit dem Siederohr
zu verbinden sind und die Nachteile des Standes der Technik weitestgehend
beseitigt werden.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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In
den Unteransprüchen sind besondere Ausführungen
und vorteilhafte Lösungen der Erfindung angegeben.
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So
wurde ein Wärmetauscher-Element geschaffen, welches als
ein Siederohr in Form eines Rippenrohres ausgebildet ist, welches
umfänglich verlaufende und axial beabstandete Nuten besitzt,
in denen die Rippen, die die Funktion von Wärmeleitblechen
besitzen, Aufnahme finden und mittels einer Elektronenstrahlschweißung
miteinander verbunden werden, somit die Rippen zum Rippenrohr sowohl form-
als auch kraftschlüssig miteinander verbunden sind.
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Diese
Anordnung der Rippen zum Rippenrohr gewährleistet, dass
die Rippen zueinander ganz bestimmte Abstände besitzen,
was sich auf den Durchfluss des Mediums positiv auswirkt und so
ein effektiver Wärmeübergang stattfinden kann.
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Die
Rippen sind zweigeteilt gestaltet und über ein Gelenk miteinander
verbunden, somit klappbar, so dass im geöffneten Zustand
der Rippen diese ohne besondere Vorrichtungen oder Methoden auf das
jeweilige Rippenrohr aufgesetzt und zu diesem positioniert werden
können. Dies wird erreicht, indem die Rippen neben dem
Gelenk auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Verschluss
ausgebildet sind, welcher in Funktion tritt, wenn die zum Rippenrohr einzusetzenden
Rippen in den Nuten Aufnahme finden und dann mittels des Verschlusses
miteinander verbunden werden. Zur genauen Positionierung der Rippen
auf dem Rippenrohr sind auf deren Innenseiten Nocken, so genannte
Arretiernocken vorgesehen, welche beim Aufsetzen der Rippen auf
das Siederohr in Bohrungen eingreifen, die im Nutgrund einer jeden
Nut des Rippenrohres vorgesehen sind. Die Bohrungen im Nutgrund
sind als Einraststellen ausgebildet und sichern somit eine exakte
Positionierung der Rippen.
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Dies
ist insbesondere von Vorteil, wenn die Rippen nicht in kreisrunder
Form ausgebildet sind, sondern eine Querschnittsform besitzen, die
von der kreisrunden Flächenform abweichen und eine quadratische,
rechteckige, trapezförmige oder eine andere Flächenform
besitzen.
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Es
gehört gleichfalls zur Erfindung, dass die Rippen paketweise
zum Rippenrohr angeordnet sind und unter Beachtung der Abstände
zwischen den einzelnen Rippen gesichert wird, dass diese Rippen mäanderförmig
vom wärmeübertragenden Medium umspült
werden.
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Zwischen
den einzelnen Paketen von Rippen, die zum Rippenrohr befestigt werden,
sind einzelne Rippen am Rippenrohr angeordnet, welche eine vergrößerte
Flächenform besitzen, welche durch Überstände
herausgebildet werden, so dass zum einen die Wärmeleit flächen
dieser Rippen vergrößert und durch die Ausbildung
der Überstände in konvexer oder konkaver Form
beim Fügen mehrerer Siederohre in einem Wärmetauscherbehälter
im eingebauten Zustand dann Durchtrittsöffnungen zwischen
den einzelnen Rippenrohren zur äußeren Innenwandung
des Wärmetauscherbehälters oder zur Außenwandung
des Rippenrohres herausgebildet werden.
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Die
Befestigung der Rippen zum Rippenrohr erfolgt mittels eines geführten
Elektronenstrahles unter einem Winkel von α ≥ 1° ≤ 15°.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind die einzelnen Rippen
mit Durchtrittsöffnungen ausgebildet, welche die Durchströmung
des Wärmemediums innerhalb eines Wärmetauschers
günstig beeinflussen.
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Mit
nachfolgendem Ausführungsbeispiel soll die Erfindung näher
erläutert werden. In der dazugehörigen Zeichnung
zeigen
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1:
ein Teilstück eines Rippenrohres in einer Prinzipskizze
mit einer Schnittansicht A-A ohne zum Rippenrohr zugeordnete Rippen,
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2:
eine Detailansicht eines Rippenrohres sowie die Draufsicht auf eine
Rippe im geschlossenen und geöffneten Zustand,
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3:
eine Detailansicht eines Rippenrohres mit eingeschweißter
Rippe in einer Schnittdarstellung,
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4:
eine Einzelheit D nach 1,
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5:
Einzelheiten B; C nach 2 in vergrößerter
Darstellung,
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6:
Abbildungen von Rippen mit verschieden ausgebildeten Querschnittsformen,
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7:
Abbildungen von Rippen mit asymmetrischen Querschnittsformen und
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8:
eine Draufsicht und eine perspektivische Ansicht der Anordnung mehrerer
Rippenrohre, einsetzbar in einem Wärmetauscher.
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Ein
nach der Erfindung ausgebildetes Rippenrohr 1 ist in einer
Frontansicht und einer Schnittansicht in der 1 gezeigt,
aus der ersichtlich ist, dass das Rippenrohr 1 mit an seinem äußeren
Umfang umlaufenden Nuten 2 ausgebildet ist. Diese Nuten 2 sind
in axialer Richtung unter bestimmten Abständen vorgesehen
und besitzen in ihrem Nutgrund Einraststellen 7, welche
vorzugsweise als Bohrungen ausgebildet sind.
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Das
in der 1 gezeigte Rippenrohr 1 stellt weitestgehend
eine Basiskonstruktion dar, die speziell für das vollständige
homogene Verschweißen der Verbindung von Rippen 3 zum
Rippenrohr 1 aus Kupferwerkstoffen und der Materialkombination
von Edelstählen und Kupfer geeignet ist.
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Die
in den Nuten 2 des Rippenrohres 1 einzusetzenden
Rippen 3 sind sowohl von der Form als auch von der Ausbildung
besonders gestaltet, wie in der 2 gezeigt.
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So
sind die Rippen 3 zweigeteilt ausgebildet und über
ein Gelenk 4 miteinander verbunden, so dass die einzelnen
Rippen 3 klappbar sind, wodurch ein leichtes Aufsetzen
der Rippen 3 zum jeweiligen Rippenrohr 1 gegeben
ist. Ferner sind die Rippen 3 mit einem Verschlusselement 5 ausgebildet,
welches einen so genannten Klippmechanismus darstellt, mittels dem
die Rippen 3, wenn sie ihre entsprechenden Positionen zum
Rippenrohr 1 besitzen, verschlossen werden und dann in
der Folge, wenn sämtliche Rippen 3 auf dem Rippenrohr 1 angeordnet
sind, diese miteinander schweißtechnisch über
eine Elektronenstrahlschweißung verbunden werden.
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Für
die exakte Positionierung der Rippen 3 zum Rippenrohr 1 besitzen
die Rippen 3 auf der Innenseite einer ihrer Hälften
einen Arretiernocken 6, wie in der 5 gezeigt,
in der gleichfalls das Verschlusselement 5 in einer vergrößerten
Darstellung wiedergegeben ist.
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Um
die Rippen 3 in der jeweiligen Nut 2 des Rippenrohres 1 exakt
positionieren zu können, sind in den Nuten 2 Einraststellen 5 vorgesehen,
in denen die Arretiernocken 6 der jeweiligen Rippe 3 eingreifen und
so die Rippen 3 in einer exakt definierten Position zum
Rippenrohr angeordnet sind.
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Die
Ausbildung der Einraststelle 7 in einer Nut 2 einer
Rippe 3 ist in einer vergrößerten Detailansicht
in der 4 gezeigt.
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Aus
dieser Darstellung ergibt sich auch, dass die Nut 2 eine
bestimmte Nutbreite 16, eine bestimmte Nuttiefe 15 besitzt
und die Einraststelle 7, vorzugsweise eine Bohrung, ein
bestimmtes Tiefenmaß 17 aufweist, welches dem
Maß des Arretiernockens 6 entspricht.
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Diese
Ausbildung der Rippen 3 auf ihren Innenseiten mit dem Arretiernocken 6 und
der entsprechenden Einraststelle 7 in den Nuten 2 gibt
einen zusätzlichen Schutz gegen Verrutschen der Rippen 3 vor
und während des Schweißprozesses und diese Ausbildung
ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Rippen 3 mit einer
Querschnittsform ausgebildet sind, die nicht der Kreisform entsprechen
und auch diese Rippen 3 exakt zueinander und zum jeweiligen Rippenrohr 1 ausgerichtet
sind, wobei auch hier das Verschlusselement 6 sichert,
dass nach dem Verschließen der Rippen 3 eine zusätzliche
Sicherung gegen das Herausspringen der Rippen 3 aus den
Nuten 3 gegeben ist.
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Sobald
das Rippenrohr 1 in seiner Gesamtheit oder auch in Teilbereichen
mit Rippen 3 bestückt ist, werden die einzelnen
Rippen 3 mittels eines Elektronenstrahles zum Rippenrohr 1 verschweißt,
wobei der Elektronenstrahl von beiden Seiten unter einer definierten
Winkelstellung die jeweilige Schweißung 13 zwischen
den Rippen 3 und dem Rippenrohr 1 herstellt. Die
definierte Winkelstellung des Elektronenstrahles zur jeweiligen
Rippe 3 erfolgt unter einem Schweißwinkel α ≥ 1° ≤ 15°.
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Beispielsweise
wird der Elektronenstrahl unter einem Winkel α von 2,5° zur
jeweiligen Rippe 3 geführt.
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Die
in den 2 und 6 dargestellten Rippen 3 werden,
wie oben beschrieben, zum jeweiligen Rippenrohr 1 verschweißt
und nach einer bestimmten Zahl von verschweißten Rippen 3,
so genannten Rippenpaketen, dann eine vergrößert
ausgebildete Rippe 8 einge setzt, die für ein günstiges Strömungsverhalten
des Mediums innerhalb eines Wärmetauschers wirkt.
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Zwei
derart vergrößerte Rippen 8 sind in der 7 dargestellt,
die im weitesten Sinne Rippen darstellen, welche eine asymmetrische
Querschnittsform besitzen, die herausgebildet werden durch Überstände 9,
welche jeweils seitlich einer Rippe 3 vorgesehen sind.
Die Form dieser Überstände 9 sind der
Form des Wärmetauschers und des im Wärmetauscher
vorgesehenen Mediumsführungsrohres angepasst, so dass durch
die konkave bzw. konvexe Ausbildung der Überstände 9 zu
einem rund ausgebildeten Wärmetauscherbehälter
und dem rund ausgebildeten Mediumsführungsohr Durchtrittsöffnungen 11 herausgebildet
werden, wie speziell in der 8 gezeigt.
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Die
Anordnung einer Rippe 3 zu einem Rippenrohr 1,
die Winkelstellung eines Elektronenstrahles unter einem Schweißwinkel α,
die Ausbildung der Schweißstelle 13 sowie die
Herausbildung einer Schweißwurzel 14 ist in der 3 gezeigt.
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Aus
dieser Zeichnung wird in einer Detailansicht deutlich, wie die jeweilige
Rippe 3 in der Nut 2 des Rippenrohres 1 eingesetzt,
der Elektronenstrahl unter einem bestimmten Winkel zur Schweißstelle 13 ausgerichtet
und eine Schweißnaht herausgebildet ist, welche in das
Innere des Rippenrohres 1 hineinragende Schweißwurzel
aufweist.
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Die
Herausbildung dieser Schweißwurzel 14 erfolgt
nicht bei jeder Elektronenstrahlschweißung der Rippen 3 zum
Rippenrohr 1, sondern hier handelt es sich um eine bevorzugte
Ausführungsvariante der Herausbildung der Schweißstelle 13,
dies mit dem Vorteil, dass durch die Schweißnahtwurzel 14 das
in dem Rippenrohr 1 befindliche Medium nochmals umgewälzt
wird und somit ein zusätzlicher effektiver Wärmeaustausch/Energieaustausch
im gesamten System stattfinden kann.
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Die
Anordnung mehrerer Rippenrohre 1 zu einem System, welches
in einem Wärmetauscher einsetzbar ist, ist in der 8 dargestellt.
Wie in der 8 gezeigt, werden bei dieser
Ausführung Rippenrohre 1 mit quadratisch ausgebildeten
Rippen 3 zueinander gefügt und finden dann in
einem Wärmetauscher Aufnahme. Um das Durchströmen
des jeweiligen Mediums durch den Wärmetauscher zu ermöglichen,
sind die Rippen 3 bei dieser Ausbildung mit Durchtrittsöffnungen 11 ausgebildet,
welche verschiedene Quer schnittsformen besitzen, wie in 8,
obere Abbildung gezeigt. Gleichfalls verdeutlicht die darunter vorgesehene
perspektivische Ansicht der Anordnung dieser Rippenrohre 1 gleichfalls, wie
die Durchtrittsöffnungen 11 vorgesehen sind, wobei
diese Darstellung auch verdeutlichen soll, dass Rippen 3 zu
einem Rippenpaket, wie bereits oben beschrieben, zu einem Rippenrohr 1 befestigt
werden können, was in dieser Darstellung nach 8 mit den
Bezeichnungen Ebene 1 bis Ebene 5 dokumentiert wird.
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Mit
der vorgestellten erfinderischen Lösung können
Konstruktionen von unterschiedlichen Rippenkonturen und Rippendicken
zu Rippenrohren platziert werden, wobei hinsichtlich der Materialien alle
schweißbaren Materialien, wie warmfeste Stähle, Edelstähle,
Nickel-Basis-Stähle, Bronze, Kupfer, Cu-Cr-Zr, Aluminium,
Titan, Tantal, Zirkonium, Silber verwendbar sind.
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Weiterhin
ist die Konstruktion für den Einsatz von Materialkombinationen
wie Stahl/Kupfer, Edelstahl/Nickelbasislegierungen, Kupfer/Silber
einsetzbar. Bedingt durch die vollständige Verschweißung der
Rippen 3 und Rippenrohre 1 bestehen keinerlei Einsatzgrenzen
aus der Gefahr der Ablösung von Rippen 3 und Rippenrohr 1.
Die Einsatzgrenzen definieren sich allein aus den Einsatzgrenzen
des gewählten Materials hinsichtlich Temperatur, chemischer
Beständigkeit, Verzunderung etc.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006013503
A1 [0004]
- - DE 10032302 A1 [0005]
- - DE 2013940 A1 [0006]
- - DE 102007046403 A1 [0008]