DE102010033468B4 - heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Wärmetauscher (1) mit folgenden Merkmalen:a) Zwischen parallel zueinander verlaufenden, Fluid führenden Rohren (2, 14) sind Rippen (7, 17) angeordnet;b) Die Enden der Rohre (2, 14) sind an Rohrböden (3, 4) fixiert;c) Die Rippen (7, 17) sind als Rippenbänder ausgestaltet, die Zick-Zack-förmig verlaufen und sich in Längsrichtung (L) der Rohre (2, 14) erstrecken;d) Die Rippen (7, 17) besitzen Rippenkämme (8), zwischen denen sich Rippenflanken (9) erstrecken;e) Die Rippen (7, 17) stützen sich mit ihren Rippenkämmen (8) abwechselnd an den angrenzenden Rohren (2, 14) ab, wobei die Rippen (7, 17) ohne stoffschlüssige Verbindung an den Rohren (2, 14) anliegen;f) Die Rohre (2, 14) greifen in randseitig der Rippenkämme (8) offene Ausnehmungen (10, 16) in den Rippenkämmen (8);g) Die Rippenflanken (9) stehen in einem von 90° abweichenden Winkel (W) zur Längsachse (L) der Rohre (2, 14);h) Die Rippen (7, 17) stützen sich an den Rohrböden (3, 4) ab oder auf an den Rohrböden (3, 4) angeordneten und den Rippen (7, 17) zugewandten Distanzelementen, wobei der Abstand der Rohrböden (3, 4) reduziert ist, so dass die Rippen (7, 17) durch eine in Längsrichtung eines Rippenbands und parallel zu den Rohren (2, 14) wirkende Vorspannungskraft (F) vorgespannt montiert sind.Heat exchanger (1) with the following features: a) Ribs (7, 17) are arranged between mutually parallel, fluid-carrying tubes (2, 14); b) The ends of the tubes (2, 14) are connected to tube sheets (3, 4 ) fixed;c) The ribs (7, 17) are designed as rib strips which run in a zigzag shape and extend in the longitudinal direction (L) of the tubes (2, 14);d) The ribs (7, 17) have Rib crests (8) between which rib flanks (9) extend;e) The rib crests (8) of the ribs (7, 17) are supported alternately on the adjacent tubes (2, 14), the ribs (7, 17 ) rest against the tubes (2, 14) without a material connection; f) the tubes (2, 14) engage in open recesses (10, 16) in the rib crests (8) on the edge side of the rib crests (8); g) the rib flanks ( 9) are at an angle (W) deviating from 90° to the longitudinal axis (L) of the tubes (2, 14); h) the ribs (7, 17) are supported on the tube sheets (3, 4) or on the Tube sheets (3, 4) arranged and de n ribs (7, 17) facing spacer elements, the distance between the tube sheets (3, 4) is reduced, so that the ribs (7, 17) by a prestressing force acting in the longitudinal direction of a ribbed band and parallel to the tubes (2, 14). (F) are prestressed.
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 11.The invention relates to a heat exchanger having the features of
Wärmetauscher zählen in unterschiedlichsten Bauformen zum Stand der Technik. Der Wärmeaustausch erfolgt zwischen einer Flüssigkeit, welche Rohre durchströmt, und einem Gas, das die Rohre außenseitig umströmt. Durch Rippen wird die Wärmetauscherfläche stark vergrößert und der Wärmeübergang intensiviert. Die Fluid führenden Rohre durchsetzen in der Regel Rohrböden, so dass das flüssige Medium, von so genannten Wasserkammern ausgehend, in mehrere Rohre gleichzeitig einströmen kann. Der Rohrboden dient als Trennwand. Es ist auch möglich, zwei Rohre über Krümmer miteinander zu verbinden, so dass sich auf einer Seite des Rohrbodens die Krümmer und auf der anderen Seite die Rohre befinden.Heat exchangers are state-of-the-art in a wide variety of designs. The heat exchange takes place between a liquid, which flows through the tubes, and a gas, which flows around the outside of the tubes. The fins greatly increase the heat exchanger surface and intensify the heat transfer. The fluid-carrying tubes usually pass through tube sheets, so that the liquid medium, starting from so-called water chambers, can flow into several tubes at the same time. The tube sheet serves as a partition. It is also possible to join two tubes together using bends, so that the bends are on one side of the tube sheet and the tubes are on the other side.
Es ist bekannt, Rippenrohrpakete zu bilden, bei welchen mehrere Fluid führende Rohre übereinander gestapelte Rippenbleche gemeinsam durchsetzen. Die Fixierung der Rippen an den Rohren erfolgt zum Beispiel durch Aufweiten der Rohre, so dass diese gegen die Öffnungen in den Rippen gepresst werden.It is known to form finned tube packs in which several fluid-carrying tubes together pass through finned sheets stacked on top of one another. The ribs are fixed to the tubes, for example, by expanding the tubes so that they are pressed against the openings in the ribs.
Dieses Herstellungsverfahren ist zwar etabliert, stellt jedoch immer einen gewissen fertigungstechnischen Aufwand dar, da sichergestellt werden muss, dass die einzelnen Rippen für einen guten Wärmeübergang dicht an den Außenseiten der Rohre anliegen.Although this manufacturing process is well-established, it always involves a certain amount of manufacturing effort, since it must be ensured that the individual ribs lie tightly against the outside of the tubes for good heat transfer.
Selbstverständlich sind auch stoffschlüssige Verbindungen, insbesondere Lötverbindungen zwischen den Rippen und den Rohren möglich. Durch die
Bei der Verwendung unterschiedlicher Werkstoffe entstehen wegen unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten von zum Beispiel Aluminium und Stahl aufgrund der notwendigen hohen Löttemperaturen und aufgrund der anschließenden Abkühlung auf Umgebungstemperatur starke Materialspannungen, so dass sich die miteinander verbundenen Teile verziehen können, wobei sogar die Lötverbindung aufbrechen kann.When using different materials, due to the different temperature expansion coefficients of aluminum and steel, for example, due to the necessary high soldering temperatures and due to the subsequent cooling to ambient temperature, strong material stresses arise, so that the parts connected to one another can warp, and even the soldered connection can break.
Ein grundsätzliches Problem bei der Fertigung großer Wärmetauscher mit entsprechend großen Rippenflächen ist, dass die Erwärmung zum Löten möglichst gleichmäßig und auch langsam erfolgen muss, damit das verwendete Lot zum Verbinden der Rippen mit den Rohren nicht im Bereich der Wärmequelle zu schnell erhitzt wird und dabei überhitzt, während es beispielsweise in einem fern von der Wärmequelle liegenden Bereich noch gar nicht die notwendige Temperatur erreicht hat. Die Fertigung ist daher zeitaufwändig.A fundamental problem in the production of large heat exchangers with correspondingly large fin surfaces is that the heating for soldering must be as uniform and slow as possible so that the solder used to connect the fins to the tubes is not heated too quickly in the area of the heat source and overheats in the process , while it has not yet reached the necessary temperature, for example in an area far from the heat source. The production is therefore time-consuming.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher mit einer einfach herzustellenden, mechanischen Rohr-Rippen-Verbindung aufzuzeigen, welche ohne stoffschlüssige Verbindung zwischen den Rohren und den Rippen auskommt, aber dennoch einen sehr guten Wärmeübergang ermöglicht, und zugleich die Kombination verschiedener Werkstoffe gestattet und zudem schnell herzustellen ist.Proceeding from this, the invention is based on the object of demonstrating a heat exchanger with a mechanical tube-fin connection which is easy to produce and which does not require a materially bonded connection between the tubes and the ribs, but which nevertheless enables very good heat transfer and at the same time the combination of different materials permitted and can also be produced quickly.
Diese Aufgabe ist bei einem Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung ist Gegenstand des Patentanspruchs 11.This problem is solved in a heat exchanger with the features of
Die Unteransprüche betreffen zweckmäßige Weiterbildungen des Erfindungsgedankens.The dependent claims relate to expedient developments of the idea of the invention.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher weist folgende Merkmale auf:
- a) Zwischen parallel zueinander verlaufenden, Fluid führenden Rohren sind Rippen angeordnet;
- b) Die Enden der Rohre sind an Rohrböden fixiert;
- c) Die Rippen sind als Rippenbänder ausgestaltet, die Zick-Zack-förmig verlaufen und sich in Längsrichtung der Rohre erstrecken;
- d) Die Rippen besitzen Rippenkämme, zwischen denen sich Rippenflanken erstrecken;
- e) Die Rippen stützen sich mit ihren Rippenkämmen abwechselnd an den angrenzenden Rohren ab, wobei die Rippen ohne stoffschlüssige Verbindung an den Rohren anliegen;
- f) Die Rohre greifen in randseitig der Rippenkämme offene Ausnehmungen in den Rippenkämmen;
- g) Die Rippenflanken stehen in einem von 90° abweichenden Winkel zur Längsachse der Rohre;
- h) Die Rippen stützen sich an den Rippenböden ab oder auf an den Rohrböden angeordneten und den Rippen zugewandten Distanzelementen, wobei der Abstand der Rohrböden reduziert ist, so dass die Rippen durch eine in Längsrichtung eines Rippenbandes und parallel zu den Rohren wirkende Vorspannungskraft vorgespannt montiert sind.
- a) Ribs are arranged between mutually parallel fluid-carrying tubes;
- b) The ends of the tubes are fixed to tube sheets;
- c) The ribs are designed as rib bands which run in a zigzag shape and extend in the longitudinal direction of the tubes;
- d) The ribs have rib crests between which rib flanks extend;
- e) The ribs are supported with their rib crests alternately on the adjoining tubes, the ribs lying against the tubes without a material connection;
- f) The tubes engage in open recesses in the rib crests on the edge side of the rib crests;
- g) The rib flanks are at an angle deviating from 90° to the longitudinal axis of the tubes;
- h) The ribs are supported on the rib bases or on spacer elements arranged on the tube bases and facing the ribs, the distance between the tube bases being reduced so that the ribs are mounted prestressed by a prestressing force acting in the longitudinal direction of a ribbed band and parallel to the tubes .
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherkonzept wird ein spezielles Rippendesign eingesetzt, welches sich die thermische Ausdehnung der Rippen und Rohre zu Nutze macht, um einen verbesserten Wärmeübergang zwischen Rohr und Rippe zu ermöglichen. Das erfindungsgemäße Wärmetauscherdesign ist unabhängig von den Materialien des Rohrs und der Rippe. Es lassen sich damit auch sehr unterschiedliche Werkstoffe miteinander kombinieren. Eine stoffschlüssige Verbindung ist zwar zusätzlich denkbar, aber prinzipiell nicht erforderlich.A special fin design is used in the heat exchanger concept according to the invention, which makes use of the thermal expansion of the fins and tubes in order to enable improved heat transfer between tube and fin. The heat exchanger design according to the invention is independent of the materials of the tube and the fin. It is also possible to combine very different materials with one another. A materially bonded connection is also conceivable, but not necessary in principle.
Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherdesign sind Zick-Zack-förmige Rippenbänder vorgesehen, wobei die einzelnen Abschnitte gewissermaßen trapezförmig ausgebildet sind. Es ergibt sich eine Mäanderform. Jeweils in den Spitzen bzw. Rippenkämmen der aneinander angrenzenden trapezförmigen Bereiche sind Ausnehmungen angeordnet, in welche die Rohre greifen. Es ist nicht vorgesehen, dass die Rohre die Rippen durchsetzen, sondern nur, dass die Rohre benachbart zu den Rippen angeordnet sind. Die Rippen werden nur umfangsseitig gegen die Rohre gepresst.In the heat exchanger design according to the invention, zigzag-shaped ribbed bands are provided, with the individual sections being designed to a certain extent in the shape of a trapezium. A meander shape results. Recesses, into which the tubes engage, are arranged in each case in the tips or rib crests of the adjoining trapezoidal regions. The tubes are not intended to pass through the ribs, only that the tubes are located adjacent to the ribs. The ribs are only pressed against the tubes on the circumferential side.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass die Rippenflanken in einem von 90° abweichenden Winkel zur Längsachse der Rohre stehen. Da sich die Rohre sowie auch die Rippen beim Betrieb des Wärmetauschers dehnen, soll die Anpresskraft zwischen den Rippen und den Rohren zunehmen, wenn der Wärmetauscher in Betrieb ist. Die Rippen sind daher so montiert, dass sich die Rippen zwar dehnen können, aber nicht unbegrenzt in Längsrichtung der Rohre verschieben können. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die durch thermische Dehnung entstehende Anpresskraft tatsächlich von den Rippen auf die Rohre überträgt.An essential feature of the invention is that the rib flanks are at an angle deviating from 90° to the longitudinal axis of the tubes. Since the tubes as well as the fins expand when the heat exchanger is in operation, the contact pressure between the fins and the tubes should increase when the heat exchanger is in operation. The ribs are therefore mounted in such a way that the ribs can stretch, but cannot move indefinitely in the longitudinal direction of the tubes. This ensures that the contact pressure resulting from thermal expansion is actually transferred from the ribs to the tubes.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass gegenüber der bisherigen Herstellung das Aufweiten der Rohre entfällt. Das Aufweiten von Rohren führt nicht zwangsläufig zu einer Wanddickenreduzierung, sondern zu einer Längenreduzierung. Das Aufweiten führt aufgrund der vorhandenen Toleranzen in der Wanddicke jedoch auch dazu, dass die Rohre nach dem Aufweiten unterschiedlich lang sind und die unterschiedlich langen Enden an die Lage des Rohrbodens angepasst werden müssen. Es wird daher mit einer entsprechenden Zugabe der Rohrlänge gearbeitet, die jedoch nicht in jedem Fall benötigt wird. Überschüssige Rohrlängen müssen abgetrennt werden, zum Beispiel durch Abbohren. Durch das Abbohren fallen relativ viele Späne an, was produktionstechnisch unerwünscht ist, aber gegenüber Absägen die bessere Alternative ist, weil durch das Sägen Vibrationen entstehen, welche die Verbindung zwischen dem Rohrboden und dem Rohr beeinträchtigen können. Es wäre daher am besten, man könnte auf den Arbeitsschritt des Trennens oder Spanens vollständig verzichten. Das gelingt mit der erfindungsgemäßen Lösung. Alle Rohre sind gleich lang und müssen nicht gekürzt werden.Another significant advantage is that, compared to previous production methods, there is no need to expand the pipes. The expansion of pipes does not necessarily lead to a reduction in wall thickness, but to a reduction in length. However, due to the existing tolerances in the wall thickness, the widening also means that the tubes are of different lengths after the widening and the ends of different lengths have to be adapted to the position of the tube sheet. It is therefore with a corresponding addition to the pipe length worked, which is not required in every case. Excess pipe lengths must be cut off, for example by drilling. Drilling produces a relatively large number of chips, which is undesirable in terms of production technology, but is the better alternative to sawing off, because sawing creates vibrations that can impair the connection between the tube sheet and the tube. It would therefore be best if the cutting or machining step could be eliminated entirely. This is possible with the solution according to the invention. All tubes are the same length and do not need to be shortened.
Ein weiterer Vorteil ist, dass das Rohr im Vergleich zu gestapelten Rippenrohrwärmetauschern bestimmter Bauformen selber am Wärmeaustausch teilhat. Das ist so zu verstehen, dass im Stand der Technik bei übereinander gestapelten Rippen der Abstand der Rippen über die Höhe der kragenartigen Ausstellungen eingestellt wird, welche im Bereich der Rohre ausgebildet sind. In der Zusammenbaulage stoßen die Ausstellungen einander, so dass die gesamte Oberfläche des Wärmetauscherrohrs vollständig von den Rippen umhüllt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher verhält sich dies anders: Es gibt freie Oberflächenbereiche der Rohre, die somit unmittelbar mit dem Wärmetauschermedium in Kontakt kommen und für einen unmittelbaren Wärmeübergang sorgen.Another advantage is that the tube itself participates in the heat exchange compared to stacked finned tube heat exchangers of certain designs. This is to be understood in such a way that, in the prior art, when the ribs are stacked one on top of the other, the distance between the ribs is adjusted via the height of the collar-like projections, which are formed in the area of the tubes. In the assembled position, the tabs abut each other so that the entire surface of the heat exchanger tube is completely enveloped by the fins. This is different in the heat exchanger according to the invention: There are free surface areas of the tubes, which thus come into direct contact with the heat exchange medium and ensure direct heat transfer.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ermöglicht nicht nur eine sehr kostengünstige Fertigung, sondern zudem noch eine hohe Flexibilität bei der Materialwahl, da auf teurere, stoffschlüssige Verbindungstechniken verzichtet werden kann. Bei allen in Frage kommenden Werkstoffen stellt sich eine thermisch bedingte Ausdehnung ein, die zwangsläufig immer dazu führt, dass die einzelnen Rippen durch Dehnung fest gegen die Rohre gepresst werden. Dabei ist unerheblich, ob sich das Rohr stärker dehnt oder ob sich die Rippe stärker dehnt als das jeweils andere Bauteil.The heat exchanger according to the invention not only enables very cost-effective production, but also high flexibility in the choice of material, since there is no need for more expensive, materially bonded connection techniques. With all materials that come into question, a thermally induced expansion occurs, which inevitably always leads to the individual ribs being pressed firmly against the pipes due to expansion. It is irrelevant whether the pipe stretches more or whether the rib stretches more than the other component.
Die Rippen sind durch eine in Längsrichtung der Rippen und parallel zu den Rohren wirkende Vorspannungskraft vorgespannt montiert. Die Vorspannung kann aufgebracht werden, indem der Abstand der Rohrböden reduziert wird. Hierbei wird vorausgesetzt, dass sich die Rippenbänder an den Rohrböden abstützen. Natürlich können auch Rohrböden unterschiedlicher Dicke verwendet werden oder einheitliche Rohrböden, die auf ihrer den Rippen zugewandten Seite mit Distanzelementen versehen werden, auf denen sich die Rippen abstützen. Durch eine gewisse Vorspannungskraft wird die sich im Betrieb einstellende Anpresskraft sicher erreicht. Zudem wird durch die Vorspannung bereits beim Betriebsbeginn, das heißt bei Temperaturen unterhalb des Sollbetriebspunkts, ein verbesserter Wärmeübergang erreicht.The fins are mounted preloaded by a biasing force acting longitudinally of the fins and parallel to the tubes. The preload can be applied by reducing the spacing of the tubesheets. It is assumed here that the ribbed bands are supported on the tube sheets. Of course, tube sheets of different thicknesses can also be used, or uniform tube sheets that are provided with spacer elements on their side facing the ribs, on which the ribs are supported. The contact pressure that occurs during operation is reliably achieved with a certain pre-tensioning force. In addition, improved heat transfer is achieved as a result of the prestressing right from the start of operation, i.e. at temperatures below the target operating point.
Der Wärmeübergang kann auch dadurch verbessert werden, dass die Ausnehmungen einen Kragen besitzen, über welchen die Ausnehmungen und damit auch die Rippen an den Rohren abgestützt sind. Über derartige Kragen stehen die einzelnen Rippen über eine größere Fläche mit den angrenzenden Rohren in Kontakt. Dadurch verbessert sich der Wärmeübergang. Gleichzeitig wird die Flächenpressung zwischen den Rohren und den sich ausdehnenden Rippen etwas reduziert, was bei dünnen Rippen oder dünnwandigen Rohren von Vorteil sein kann. Der Kragen kann auch bestimmte Fertigungstoleranzen ausgleichen.The heat transfer can also be improved in that the recesses have a collar, via which the recesses and thus also the ribs are supported on the tubes. The individual ribs are in contact with the adjacent tubes over a larger area via such collars. This improves the heat transfer. At the same time, the surface pressure between the tubes and the expanding ribs is reduced somewhat, which can be an advantage with thin ribs or thin-walled tubes. The collar can also compensate for certain manufacturing tolerances.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Rippenflanken Aussteifungen aufweisen, welche die Knicksteifigkeit zwischen den Rippenkämmen erhöhen. Das erfindungsgemäße Konzept des Wärmetauschers basiert darauf, dass durch gegenseitige Ausdehnung der Rohre und Rippen ein formschlüssiger Verbund zwischen Rohren und Rippen geschaffen wird. Die Anpresskraft soll dabei nicht durch ein Wegknicken der Rippenflanken reduziert werden. Die Rippenflanken müssen daher eine vorgegebene Mindestknicksteifigkeit aufweisen. Diese Mindestknicksteifigkeit wird im Rahmen der Erfindung vorzugsweise nicht durch Materialanhäufung, das heißt durch dickwandigere Rippenflanken oder lokale Verstärkungen an den Rippenflanken erreicht, sondern durch Aussteifungen, die insbesondere als Prägungen ausgebildet sind. Derartige Prägungen dienen dazu, Material aus der Mittelebene der Rippenflanken nach außen zu verlagern und dadurch die Biegesteifigkeit zu erhöhen. Die Gestalt der Aussteifungen spielt hierbei eine wichtige Rolle, da die Knicksteifigkeit zwischen zwei Rippenkämmen erhöht werden muss. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass sich wenigstens eine Aussteifung zwischen einer Ausnehmung in einem ersten Rippenkamm in Richtung zur benachbarten Ausnehmung in dem gegenüberliegenden Rippenkamm erstreckt. Die Aussteifungen verlaufen daher gewissermaßen diagonal auf den Rippenbändern. In Längsrichtung der Rohre betrachtet, das heißt aus Richtung des Rohrbodens betrachtet, erstrecken sich die Aussteifungen somit radial von einem Rohr zum benachbarten Rohr. Eine zusätzliche Aussteifung im Bereich eines Rippenkamms ist nicht erforderlich, da der Rippenkamm selbst einfach, vorzugsweise zweifach gebogen ist und dadurch hinreichend biegesteif ist.It is considered particularly advantageous if the rib flanks have reinforcements which increase the buckling resistance between the rib crests. The concept of the heat exchanger according to the invention is based on the mutual expansion of the tubes and ribs creating a form-fitting connection between the tubes and ribs. The pressing force should not be reduced by buckling the rib flanks. The rib flanks must therefore have a specified minimum buckling resistance. Within the scope of the invention, this minimum buckling resistance is preferably not achieved by accumulation of material, ie by thicker-walled rib flanks or local reinforcements on the rib flanks, but by stiffening, which is in particular formed as embossing. Such embossing serves to move material outwards from the center plane of the rib flanks and thereby increase the flexural rigidity. The shape of the stiffeners plays an important role here, since the buckling resistance between two rib crests must be increased. In a preferred embodiment, it is therefore provided that at least one reinforcement extends between a recess in a first ridge of ribs in the direction of the adjacent recess in the opposite ridge of ribs. The stiffeners therefore run to a certain extent diagonally on the ribbed bands. Viewed in the longitudinal direction of the tubes, ie viewed from the direction of the tube sheet, the reinforcements thus extend radially from one tube to the adjacent tube. An additional stiffening in the region of a rib crest is not required, since the rib crest itself is bent once, preferably twice, and is therefore sufficiently rigid.
Die exakte Konturierung und Lage der Aussteifungen ist abhängig von der Geometrie der Wärmetauscherrohre. Es ist mithin ebenso denkbar, dass die Aussteifungen senkrecht zu den Rippenkämmen verlaufen, was insbesondere bei im Querschnitt elliptischen Rohren von Vorteil sein kann.The exact contouring and position of the reinforcements depends on the geometry of the heat exchanger tubes. It is therefore also conceivable that the reinforcements are perpendicular to the ribs run comb, which can be particularly advantageous in cross-section elliptical tubes.
Grundsätzlich wird es als vorteilhaft angesehen, wenn sich die Aussteifungen in Form von Prägungen bis in die einzelnen Kragen erstrecken, die an den Ausnehmungen ausgebildet sind. Dadurch geht die Wandung der Aussteifung gewissermaßen direkt in den Kragen über, sofern die Aussteifungen in Form von Prägungen und die Kragen in die gleiche Richtung orientiert sind.In principle, it is considered advantageous if the reinforcements extend in the form of embossings into the individual collars that are formed on the recesses. As a result, the wall of the stiffening transitions directly into the collar, as it were, provided that the stiffening in the form of embossing and the collar are oriented in the same direction.
Eine kompakte Bauweise des Wärmetauschers ist insbesondere dann gegeben, wenn die Rohre in mehreren zueinander versetzt angeordneten Reihen angeordnet sind. Dadurch ergibt sich, dass die Ausnehmungen in Längsrichtung benachbarter Rippenkämme zueinander versetzt angeordnet sind. Der Versatz der Ausnehmungen bestimmt somit auch die exakte Lage der Aussteifungen, in Form von stegartigen Prägungen.A compact design of the heat exchanger is given in particular when the tubes are arranged in a plurality of rows which are offset relative to one another. This results in the recesses being offset from one another in the longitudinal direction of adjacent rib crests. The offset of the recesses thus also determines the exact position of the reinforcements, in the form of web-like embossing.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist Gegenstand des Patentanspruchs 11. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:
- a) Bereitstellen von Rohren und Rippen, wobei die Rippen zu Zick-Zack-förmigen Rippenbändern gebogen und mit randseitigen Ausnehmungen versehen sind;
- b) Anordnen der Rohre zwischen den Rippen, wobei die Rippen ohne stoffschlüssige Verbindung an den Rohren anliegen;
- c) Aufbringen einer Vorspannkraft auf die Rippen, um die Rippenkämme gegen die Rohre zu pressen, indem der Abstand zwischen Rohrböden reduziert wird, an welchen die Rohre angeordnet werden;
- d) Fixieren des Rohrbodens in der Position, in welcher die Vorspannkraft auf die Rippen aufgebracht wurde, wobei die Rohre mit dem Rohrboden stoffschlüssig durch Schweißen, Löten, Kleben oder durch Aufweiten verbunden werden.
- a) providing tubes and ribs, the ribs being bent to form zigzag-shaped rib strips and provided with edge-side recesses;
- b) arranging the tubes between the ribs, the ribs resting against the tubes without a material connection;
- c) applying a biasing force to the fins to press the fin crests against the tubes by reducing the distance between tubesheets on which the tubes are placed;
- d) Fixing the tube sheet in the position in which the prestressing force was applied to the ribs, the tubes being connected to the tube sheet by welding, soldering, gluing or by expanding in a materially bonded manner.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat sowohl gegenüber der Herstellung von Wärmetauschern mit aufgeweiteten Rohren als auch gegenüber Wärmetauschern, bei denen die Rohre und Rippen stoffschlüssig verbunden sind, erhebliche Vorteile aufgrund des sehr hohen Rationalisierungspotentials. In der Praxis sind die Rippen und Rohre zunächst wechselweise übereinander zu stapeln. Anschließend muss das aus Rippen und Rohren bestehenden Paket ausgerichtet werden, damit die Rohre exakt in oder an den Rohrboden passen. Das Paket wird zwischen Seitenwänden angeordnet und durch Verschieben wenigstens eines Rohrbodens relativ zum anderen Rohrboden zusammengepresst. In dieser Position, in welcher eine Vorspannkraft auf die Rippen aufgebracht wird, wird der Rohrboden fixiert. Die Rohre können mit dem Rohrboden stoffschlüssig durch Schweißen, Löten, Kleben oder durch Aufweiten verbunden werden. Je nach Anwendungsfall kann der Rohrboden absolut dicht oder bei in begrenztem Umfang tolerierbaren Leckagen auch sehr einfach befestigt sein. Maßgeblich für die vorliegende Erfindung ist nicht die Art der Befestigung und die exakte Lage der Rohrenden, welche nur stirnseitig an dem Rohrboden anliegen können oder diesen alternativ teilweise oder ganz durchsetzen, sondern die Funktion des Rohrbodens als Widerlager für die Rippen. Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, separate Widerlager vorzusehen, an denen sich die Rippen abstützen, während die Rohrböden primär eine Dichtungsfunktion haben. Funktional gehören solche Widerlager zum Rohrboden.The method according to the invention has considerable advantages both compared to the production of heat exchangers with expanded tubes and compared to heat exchangers in which the tubes and ribs are materially connected, due to the very high rationalization potential. In practice, the fins and tubes are first to be stacked alternately on top of each other. The package of fins and tubes must then be aligned so that the tubes fit snugly in or against the tube sheet. The pack is placed between side walls and compressed by sliding at least one tube sheet relative to the other tube sheet. In this position, in which a prestressing force is applied to the ribs, the tube sheet is fixed. The tubes can be integrally connected to the tube sheet by welding, soldering, gluing or by expanding. Depending on the application, the tube sheet can be absolutely tight or, in the case of leaks that can be tolerated to a limited extent, also be fastened very simply. Decisive for the present invention is not the type of attachment and the exact position of the tube ends, which can only bear on the front side of the tube sheet or alternatively partially or completely penetrate it, but the function of the tube sheet as an abutment for the ribs. It is also possible within the scope of the invention to provide separate abutments on which the ribs are supported, while the tube sheets primarily have a sealing function. Functionally, such abutments belong to the tube sheet.
Damit auch die äußeren Rippen eines Wärmetauschers dicht an den Rohren anliegen, ist sicherzustellen, dass die Einhausung hinreichend stabil ist bzw. eine hinreichende Kraft auf die randseitigen Rippen ausübt, so dass sich das ganze System nicht nach außen ausbeult. Es können daher zusätzliche Zuganker vorgesehen sein, um das Paket aus Rohren und Rippen in Querrichtung gegen laterale Ausweitung zu begrenzen und um die Vorspannkraft zwischen den Rippen und den Rohren aufrecht zu erhalten.In order for the outer ribs of a heat exchanger to lie tightly against the tubes, it must be ensured that the housing is sufficiently stable or exerts sufficient force on the edge ribs so that the entire system does not bulge outwards. Additional tie rods may therefore be provided to transversely constrain the package of tubes and fins against lateral expansion and to maintain the prestressing force between the fins and the tubes.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:
-
1 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wärmetauschers; -
2 eine Ansicht von oben aufden Wärmetauscher der 1 ; -
3 eine Ansicht in Richtung der Rohre des Wärmetauschers der1 ; -
4 eine Ansicht auf die Rohre und Rippen des Wärmetauschers der1 ohne umgebendes Gehäuse und ohne Rohrböden; -
5 eine Seitenansicht auf die Rohre und Rippen des Wärmetauschers der1 ohne Seitenteile und Rohrböden; -
6 eine Querschnittdarstellung durch die Rohre und Rippen des Wärmetauschers der1 ; -
7 eine perspektivische Darstellung der Rohre und Rippen des Wärmetauschers der1 ; -
8 bis 10 in der Draufsicht, Seitenansicht und Stirnansicht ein einzelnes Rippenblech des Wärmetauschers der1 ; -
11 das Rippenblech der 8 bis 10 in perspektivischer Darstellung; -
12 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform von Rohren und Rippen eines Wärmetauschers; -
13 eine Seitenansicht auf das Paket aus Rohren und Rippen gemäß12 ; -
14 eine gegenüber der13 um 90° versetzte Ansicht auf das Rippenrohrpaket der12 (Ansicht von oben); -
15 das Rippenrohr der Rippenrohrpakete der12 in der Stirnansicht; -
16 ein einzelnes Rippenblech des Wärmetauschers der12 in perspektivischer Ansicht und -
17 bis19 eine Draufsicht, Seitenansicht und Stirnansicht des Rippenblechs der16 .
-
1 a perspective view of a first embodiment of a heat exchanger; -
2 a top view of theheat exchanger 1 ; -
3 a view towards the tubes of the heat exchanger of FIG1 ; -
4 a view of the tubes and fins of the heat exchanger of FIG1 without surrounding housing and without tube sheets; -
5 a side view of the tubes and fins of the heat exchanger of FIG1 without side panels and tube sheets; -
6 a cross-sectional view through the tubes and fins of the heat exchanger of FIG1 ; -
7 a perspective view of the tubes and fins of the heat exchanger of FIG1 ; -
8th until10 in the top view, side view and end view a single ribbed plate of theheat exchanger 1 ; -
11 the rib sheet of8th until10 in perspective view; -
12 a perspective view of a second embodiment of tubes and fins of a heat exchanger; -
13 a side view of the package of tubes and fins according to FIG12 ; -
14 one opposite the13 View of the finned tube package offset by 90°12 (View from above); -
15 the finned tube of the finned tube bundles12 in front view; -
16 a single fin plate of theheat exchanger 12 in perspective view and -
17 until19 a plan view, side view and end view of the rib plate of FIG16 .
Zusätzlich zu den Rohrböden 3, 4 sind als weitere Gehäusebestandteile Seitenwände 5, 6 vorgesehen, die sich zwischen den Rohrböden 3, 4 befinden und einen rechteckigen Innenraum begrenzen. Es versteht sich, dass die Form des Innenraums maßgeblich durch die Anordnung der Rohre und die Form des Rohrbodens (Kreis, Rechteck) bestimmt wird.In addition to the
In diesem Innenraum, der von den in parallel zueinander verlaufenden und zueinander versetzten Reihen angeordneten Rohren 2 durchsetzt ist, befinden sich zusätzlich Rippen 7. Insgesamt sind es neun Reihen von Rippen 7, die acht zueinander versetzte Rohrreihen umschließen. Die Rippen 7 sind als einzelne Rippenbänder ausgestaltet, die Zick-Zack-förmig verlaufen und sich jeweils zwischen zwei benachbarten Rohrreihen erstrecken. Das ist besonders gut anhand der
Aus der Darstellung der
Alle Rippen 7 sind einheitlich konfiguriert. Aufgrund der zueinander versetzten Anordnung der Rohre 2 sind auch die Ausnehmungen 10 in den Rippenkämmen 8 zueinander versetzt angeordnet. In diesen Ausführungsbeispiel besitzt jede Rippe 7 daher in ihrem einen Rippenkamm 8 vier Ausnehmungen 10 und in dem gegenüberliegenden Rippenkamm 8 drei Ausnehmungen 10. Die Ausnehmungen 10 sind auch in der randseitigen Rippe 7 zu erkennen, wie insbesondere aus der Perspektive der
Eine Besonderheit der dargestellten Rippen 7 sind Aussteifungen 12, die in Darstellung der
Die Aussteifungen 12 erhöhen die Knicksteifigkeit zwischen zwei Rippenkämmen 8. Es handelt sich um stegförmige Ausprägungen, die parallel zur radial kürzesten Verbindung zwischen einander benachbarten Rohren 2 verlaufen. Konkret sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei stegförmige Prägungen vorgesehen. Jede der Prägungen mündet in die diagonal gegenüberliegende Ausnehmung 10 im anderen Rippenkamm 8. Die Aussteifungen 12 haben diese Orientierung, da dies die kürzeste Verbindung zwischen zwei benachbarten Rohren 2 ist und hier aufgrund der thermischen Längenänderung mit der höchsten Anpresskraft, die zwischen dem Rohr 2 und der Rippe 7 wirkt, zu rechnen ist.The
Die Darstellung der
Alle Rippen 7 sind gespiegelt angeordnet. Das bedeutet, dass ein Rohr 2, wie es zum Beispiel in
Zu der möglichst biegesteifen Gestaltung der dünnwandigen Rippen 7 trägt auch bei, dass die Aussteifungen 12 in Form von stegartigen Prägungen nicht vor, das heißt im Abstand zu den Kragen 13 enden, sondern die Kragen 13 durchsetzen bzw. in diese münden. Dies ist besonders gut in
Die Ausführungsform der
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Wärmetauscherheat exchanger
- 22
- RohrPipe
- 33
- Rohrbodentube sheet
- 44
- Rohrbodentube sheet
- 55
- SeitenwandSide wall
- 66
- SeitenwandSide wall
- 77
- Ripperib
- 88th
- Rippenkammrib comb
- 99
- Rippenflankerib flank
- 1010
- Ausnehmungrecess
- 1111
- Spaltgap
- 1212
- Aussteifungbracing
- 1313
- Kragencollar
- 1414
- RohrPipe
- 1515
- Aussteifungbracing
- 1616
- Ausnehmungrecess
- 1717
- Rippe rib
- BB
- BreiteBroad
- Ff
- Vorspannkraftpreload force
- LL
- Längsrichtunglongitudinal direction
- WW
- Winkelangle
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-
2010
- 2010-08-05 DE DE102010033468.5A patent/DE102010033468B4/en active Active
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