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Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung mit in einem Modul parallel mit Abstand zueinander angeordneten, von einem Fluid durchströmbaren Rohren, die zwischen zwei ebenfalls von dem Fluid durchströmbaren transversalen Sammelrohren verlaufen, wobei wenigstens eines der Sammelrohre wenigstens einen Anschluss für einen Zulauf oder Ablauf des Fluids aufweist.
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Wärmetauscheranordnungen dieser Art sind in zahlreichen Ausführungsformen und zu zahlreichen Anwendungszwecken bekannt.
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So sind beispielsweise Heizkörperanordnungen bekannt, die aus parallel zueinander mit Warmwasser durchströmten Rohren bestehen, die von einem – beispielsweise quadratischen – Sammelrohr zu einem anderen – beispielsweise ebenfalls quadratischen – Sammelrohr verlaufen. Dabei kann das eine Sammelrohr mit dem Warmwasserzulauf und das andere Sammelrohr mit dem Warmwasserrücklauf verbunden sein. Derartige Heizkörper eignen sich als Handtuchtrockner, weil feuchte Handtücher in den Abstand zwischen zwei Rohren eingeschoben werden können und so in einem großflächigen Kontakt mit einer größeren Anzahl von Rohren getrocknet werden. Die Herstellung derartiger Heizkörper geschieht regelmäßig durch eine Schweißverbindung zwischen den parallelen Rohren und den Sammelrohren. Diese Heizkörper bestehen aus Metall.
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Wärmetauscheranordnungen dieser Art sind ferner als Sonnenkollektoren bekannt, wenn sie aus einem schwarzen, Wärmestrahlung absorbierenden Material gebildet sind. Sie können dann als entsprechende Module auf ein Dach gelegt werden, beispielsweise um durchfließendes Wasser während einer Sonneneinstrahlung zu erwärmen.
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Es sind weitere Anwendungen in Betracht gezogen worden, bei denen durch die Rohre Kältemittel fließt, die der die Wärmetauscheranordnung umgebenden Luft Wärme entzieht und an anderer Stelle, beispielsweise über einen Phasenumwandlungsprozess, die absorbierte Energie wieder zur Verfügung stellen.
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Ein generelles Problem derartiger Wärmetauscheranordnungen besteht darin, dass ihre Herstellung aufgrund der Herstellung der Verbindung zwischen den parallelen Rohren und den Sammelrohren, die regelmäßig durch Schweißen erfolgt, sehr aufwändig herzustellen sind. Der daraus resultierende hohe Verkaufspreis steht einer weiten Verbreitung derartiger Wärmetauscheranordnungen entgegen.
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Der Erfindung hegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg für eine preiswerte Herstellung der Wärmetauscheranordnung der eingangs erwähnten Art anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Wärmetauscheranordnung der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass das Modul als ein einstückig hergestelltes Kunststoffteil ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung nimmt somit die gegenüber Wärmetauscheranordnungen aus Metall etwas schlechtere Wärmeleitung zwischen dem Fluid innerhalb der Rohre und dem die Rohre umgebenden Fluid durch die Herstellung aus Kunststoff in Kauf. Allerdings sind die üblichen Herstellungsverfahren für Kunststoffteile nicht dafür vorgesehen, kompliziert aufgebaute Teile, wie eine gattungsgemäße Wärmetauscheranordnung herzustellen. Kunststoffrohre werden üblicherweise im Extrusionsverfahren hergestellt, das somit nur für die Herstellung der Einzelteile des Moduls geeignet ist. Für ein Spritzgießen eignet sich eine gattungsgemäße Wärmetauscheranordnung ebenfalls nicht, weil zusätzlich zu den die äußere Kontur festlegenden Werkzeughälften senkrecht zur Entformungsrichtung der Formhälften bewegbare Kerne verwendet werden müssten, für deren Bewegung allerdings wegen der Sammelrohre kein Platz zur Verfügung steht.
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Die erfindungsgemäße einstückige Herstellung des Moduls gelingt überraschenderweise durch Anwendung des Rotationsformens. Das Rotationsformen von Kunststoffteilen geschieht mit Hilfe zweier Formhälften, die zu einer geschlossenen Form miteinander verbunden werden und einen geschlossenen Hohlraum aufweisen. in den Hohlraum wird ein pulverförmiger Kunststoff eingebracht und durch Wärmeeinwirkung plastifiziert, woraufhin die Form in allen Raumrichtungen langsam rotiert, sodass sich der thermoplastische Kunststoff unter Einfluss der Erdanziehung durch die Rotationsbewegung auf der Innenwand der Form verteilt und aufgrund der Kühlung der Form aushärtet. Auf diese Weise bildet sich eine ausgehärtete Wandstärke, deren Gleichmäßigkeit durch die vorgegebene Rotationsbewegung der Form gewährleistet werden kann. Dieses Rotationsformen ist somit für großflächige Hohlkörper bekannt. Erfindungsgemäß wird das Rotationsformen nunmehr verwendet, um eine kompliziert aufgebautes Modul einstückig herzustellen, sodass eine jegliche Verbindung zwischen Kunststoff-Einzelteilen entfallen kann. Die komplizierte Struktur der erfindungsgemäß einstückig hergestellten Wärmetauscheranordnung ergibt sich daraus, dass die Vielzahl von vorzugsweise in einer Ebene zueinander parallel angeordneten Rohren wenigstens fünf, insbesondere wenigstens acht, insbesondere wenigstens zehn und bevorzugt wenigstens zwölf beträgt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Anzahl der vorzugsweise in einer Ebene parallel zueinander angeordneten Rohre zwischen zwanzig und dreißig. Die Außenabmessungen der Rohre kann dabei minimal 10 mm und maximal 80 mm betragen. Bevorzugt liegen die Außenabmessungen der Rohre zwischen 15 und 50 mm, weiter bevorzugt zwischen 20 und 30 mm. Die Außenabmessungen müssen dabei nichtkonstant sein, da mit Vorteil auch ovale Rohre einsetzbar sind. In einem Beispiel beträgt die kleinste Außenabmessung 20 mm und die größte Außenabmessung 30 mm. Die Rohre weisen dabei – wie das Modul insgesamt – vorzugsweise eine Wandstärke von 2 bis 3 mm auf. In besonderen Fällen kann die Wandstärke auch größer ausgebildet werden, beispielsweise bis zu 6 mm.
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Es hat sich überraschend herausgestellt, dass ein derartig kompliziertes Bauteil, wie das beschriebene Modul einer Wärmetauscheranordnung einstückig herstellbar ist, insbesondere durch Rotationsformen. Als alternatives Herstellungsverfahren kommt ferner das mit dem Rotationsformverfahren verwandte Blasformverfahren in Betracht, ebenso das Twin-Sheet-Thermoformverfahren Ein generelles Problem von in einer Ebene angeordneten Wärmetauscheranordnungen besteht darin, dass sie wegen des Abstands zwischen den parallelen Rohren einen erheblichen Flächenbedarf haben und daher beispielsweise bei einer Anordnung auf einer Dachfläche diese sehr ausladend abdecken. In manchen Fällen steht für bestimmte Anwendungszwecke überhaupt keine ausreichende Dachfläche für eine derartige Wärmetauscheranordnung zur Verfügung.
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Um bei gleicher Wirksamkeit einen geringeren Flächenbedarf für die Wärmetauscheranordnung entstehen zu lassen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass bei einer Wärmetauscheranordnung der eingangs erwähnten Art zwei Module gegen eine relative Verschiebung zueinander gesichert mit den Sammelrohren übereinander angeordnet sind. Für diese Maßnahme ist die Ausbildung der übereinander angeordneten Module der Wärmetauscheranordnung jeweils als einstückig hergestelltes Kunststoffteil nicht zwingend erforderlich, jedoch aufgrund der preiswerten Erstellung besonders vorteilhaft.
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Obwohl Wärmetauscheranordnungen der gattungsgemäßen Art in den genannten Ausführungsformen verwendet worden sind, ist es nicht bekannt, Module übereinander anzuordnen, sodass mehrere Module einen gemeinsamen Flächenbedarf aufweisen, der kleiner ist als das entsprechende Vielfache der des Flächenbedarfs der Einzelmodule. Insbesondere ist es erfindungsgemäß sinnvoll, wenn zwei oder mehrere Module übereinander angeordnet sind, da ihr gemeinsamer Flächenbedarf lediglich dem Flächenbedarf eines einzigen Moduls entspricht, weil die Module konturgenau in Höhenrichtung miteinander fluchten. Auf diese Weise entsteht eine kompakte Wärmetauscheranordnung, die durch die übereinander angeordneten und aneinander anliegenden Sammelrohre einen gemeinsamen sauberen und ästhetisch anspruchsvollen Abschluss bildet. Dabei wird von der Erkenntnis Gebrauch gemacht, dass bei einer Wärmetauscheranordnung der gattungsgemäßen Art der Wärmeübergang zwischen dem äußeren Fluid und dem durch die Rohre strömenden Fluid regelmäßig nicht mit der gewünschten Effektivität erfolgt, wenn das äußere Fluid nur an einer Lage der parallelen Rohre entlang streicht. Es hat sich daher für zahlreiche Anwendungsfälle als vorteilhaft herausgestellt, wenn mehrere Module übereinander angeordnet sind, sodass beispielsweise eine quer zu der Fläche der Module vorbeistreichende Strömung an mehreren Lagen der parallelen Rohre vorbeistreicht. Besonders bevorzugt sind dabei zwei bis fünf, insbesondere drei oder vier Lagen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Sammelrohre wenigstens auf einer Seite des Moduls eine ebene Anlagefläche auf, die oberhalb einer die nebeneinander angeordneten Rohre berührenden virtuellen Oberflächenebene liegt. Dadurch ist es möglich, dass die Anlageflächen der Sammelrohre aneinanderliegen und so eine stabile Verbindung miteinander ausbilden können. Die Sammelrohre können einen quadratischen oder mehreckigen Querschnitt aufweisen, aus dem sich die ebene Anlagefläche automatisch ergibt. Bevorzugt ist jedoch, wenn die Sammelrohre einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen für den die ebene Anlagefläche eine Sekante bildet. Eine derartige Ausführungsform eignet sich insbesondere für die bevorzugte Ausbildung der Wärmetauscheranordnung aus einem Kunststoffmaterial. Dabei sind die parallel zueinander verlaufenden Rohre vorzugsweise mit einem ovalen Querschnitt ausgebildet.
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Ein Modul einer erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung kann eine Anzahl n von Sammelrohren aufweisen, zwischen denen (n–1) Gruppen von zueinander parallel laufenden Rohren angeordnet sind. Die Anzahl n kann dabei zweckmäßigerweise zwischen 2 und 4 liegen, sodass eine einzige Gruppe von parallel zueinander verlaufenden Rohren vorhanden ist oder mehrere Gruppen derartiger parallel zueinander verlaufender Rohre in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind.
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Das mit den parallel zueinander verlaufenden Rohren gebildete Modul weist vorzugsweise in Längsrichtung der Rohre gesehen eine mittige transversale Strebe auf, mittels derer das Modul auf einer Traganordnung befestigbar ist. Die mittige Strebe kann dabei lediglich die Rohre übergreifen oder vorzugsweise selbst als Sammelrohr ausgebildet sein. Die Befestigung an der mittigen Strebe erfolgt dabei vorzugsweise in dem mittleren Bereich der Längsrichtung der mittigen Strebe, sodass das Modul insgesamt in seiner Mitte, beispielsweise an zwei Befestigungspunkten, befestigt ist, die nahe bei einander liegen. Durch diese quasi annähernd punktförmige Befestigungseinrichtung kann der Tatsache Rechnung getragen werden, dass ein aus Kunststoff gebildetes Modul bei stark unterschiedlichen Umgebungstemperaturen erhebliche Längenunterschiede erzeugt, die bei einer mittig, annähernd punktförmigen Befestigung nicht zu zu großen Spannungen an den Befestigungspunkten führen.
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Die Sicherung der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung gegen eine relative Verschiebung der Module zueinander kann durch externe Verbindungsmittel erfolgen. Bevorzugt ist jedoch, die Module so auszubilden, dass sie diese Sicherungsmittel bereits in integrierter Form aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sammelrohre mit Nocken in einer Oberfläche und Nockenaufnahmen in der gegenüberliegenden Oberfläche versehen, um die Verschiebesicherung beim flächigen Aufeinanderliegen der Anlagefläche zu gewährleisten.
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Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Nocken und Nockenaufnahmen jeweils drehsymmetrisch für eine Drehung um 180° des Moduls um eine senkrecht zu einer von den parallelen Rohren aufgespannten Ebene stehenden Drehachse angeordnet sind. Die Unterseite eines Moduls kann dann auf die Oberseite eines unteren Moduls in zwei um 180° zueinander gedrehten Positionen aufgesetzt werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Sammelrohre Stirnflächen auf, die im montierten Zustand der wenigstens zwei Module übereinander miteinander in Höhenrichtung fluchten und von denen die Rohre der Module einen unterschiedlichen Abstand derart aufweisen, dass die Rohre zweier übereinander liegender Module in einer ersten Verbindungsposition in Höhenrichtung miteinander fluchten und in einer zweiten Verbindungsposition, in der eines der Module um seine Hochachse um 180° gedreht ist, die Rohre der beiden Module auf Lücke zueinander angeordnet sind. Dadurch kann die erfindungsgemäße Wärmetauscheranordnung je nach Anwendungsfall mit in Höhenrichtung zueinander fluchtenden Röhren oder mit jeweils um eine halbe Abstandsbreite zueinander versetzten Rohren ausgebildet werden. Die erstgenannte Ausführungsform ermöglicht ein Durchströmen der Wärmetauscheranordnung mit einem geringen Strömungswiderstand, während die zweite Ausführungsform einen intensiveren Wärmeaustausch bei einem etwas erhöhten Durchströmungswiderstand bietet.
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Diese Varianten der Wärmetauscheranordnung sind mit Modulen aufbaubar, die völlig identische Teile sind. Dies ist für die Kunststofffertigung der Module natürlich von großer Bedeutung, da ein einziges Werkzeug für die Herstellung der Module benötigt wird.
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Die übereinander angeordneten Module können als eigene Module jeweils einen Zulauf und einen Ablauf aufweisen, können jedoch in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung auch, beispielsweise über die Nockenanordnungen, fluidmäßig miteinander verbunden werden, um so in der Gesamtanordnung einen gemeinsamen Zulauf und einen gemeinsamen Ablauf aufzuweisen. In beiden Ausführungsformen kann an beiden Stirnflächen der das jeweilige Modul begrenzenden Sammelrohren ein Zulauf und ein Ablauf konstruktiv vorgesehen sein, der – je nach Anwendungsfall – verschlossen bleiben oder geöffnet werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Module einstückig aus Kunststoff hergestellt. Eine derartige einstückige Herstellung des nicht trivial aufgebauten Moduls gelingt durch eine Rotationsform, bei der sich flüssiger Kunststoff in einer Form gleichmäßig an den Wänden der Form verteilt, wenn die Form in allen Freiheitsgraden systematisch bewegt wird, sodass sich beim Abkühlen des Kunststoffs an den Wänden der Form gleichmäßige Wandstärken aus dem abgekühlten Kunststoff ausbilden. Ein derartiges Rotationsformen ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt und ermöglicht hier die einstückige Herstellung der Module der Wärmetauscheranordnung.
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Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Moduls gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine Draufsicht auf das Modul gemäß 1;
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3 eine Seitenansicht auf das Modul gemäß 2 in Längsrichtung der Rohre, also auf ein Sammelrohr;
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4 eine Seitenansicht in Querrichtung der parallel zueinander verlaufenden Rohre;
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5 eine Draufsicht gemäß 2 auf ein Paket aus drei aufeinander angeordneten Modulen;
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6 einen Schnitt entlang der Linie E-E in 5.
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1 lässt ein einstückig durch Rotationsformen hergestelltes Modul 1 erkennen, das aus zwei Gruppen von parallel und mit Abstand zueinander verlaufenden Rohren 2 besteht, wobei die Rohre zwei jeweils zwischen zwei Sammelrohren 3, 4 verlaufen. Die Sammelrohre 3 bilden dabei End-Sammelrohre, in die die Rohre 2 nur einseitig einmünden, während das Sammelrohr 4 ein mittiges Sammelrohr ist, in das die Rohre 2 von zwei gegenüberliegenden Seiten aus einmünden.
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Es ist möglich, das mittige Sammelrohr 4 durch eine mittige Strebe zu ersetzen, die nicht zum Durchströmen mit Fluid aus den Rohren 2 ausgebildet ist, sondern die Rohre 2 die in 1 somit eine doppelte Länge aufweisen würden, mittig lediglich mechanisch zu stabilisieren.
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Wie 4 verdeutlicht, ist jedoch die in 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform mit einem mittigen Sammelrohr 4 ausgebildet, in das die Rohre 2 beidseitig einmünden und dass zur Führung von Fluid aus den Rohren 2 vorgesehen und ausgebildet ist.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine Oberseite des Moduls aus 1. Es verdeutlicht, dass die Sammelrohre 3, 4 an jeweils beiden Enden miteinander fluchtende Stirnflächen 5 aufweisen. Bei den End-Sammelrohren 3 ragt aus den Stirnflächen 5 jeweils ein Anschlussstutzen 6 heraus, der zunächst verschlossen ist und bei Bedarf geöffnet werden kann, um so als Zulauf oder als Ablauf für ein Fluid zu dienen. Es ist erkennbar, dass das mittige Sammelrohr 4 einen derartigen Anschlussstutzen 6 nicht aufweist. Die Sammelrohre 3, 4 sind mit jeweils einem aus der Oberfläche nach oben herausragenden Nocken 7, 8 versehen, wobei die Nocken 7 auf den End-Sammelrohren 3 diagonal zueinander angeordnet sind, während der Nocken 8 auf dem mittigen Sammelrohr 4 in der mit der Längsachse des Sammelrohrs 4 angeordnet ist. Die Sammelrohre 3, 4 weisen an den identischen Stellen an ihrer Unterseite jeweils entsprechende (in 2 nicht dargestellte) Nockenaufnahmen auf. Wie noch näher erläutert wird, ist die Anordnung der Nocken 7, 8 drehsymmetrisch um die durch den mittigen Nocken 8 verlaufende Hochachse, sodass das in 2 dargestellte Modul 1 auf die Oberseite eines identischen Moduls 1 in der dargestellten Stellung, aber auch in einer um 180° um die Hochachse durch den Nocken 8 gedrehte Stellung auflegbar ist.
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2 verdeutlicht noch, dass die Rohre 2 jeweils einen gleichen Abstand zueinander aufweisen, dass aber der Stirnfläche 5 am in 2 rechten Ende der Sammelrohre 3, 4 zur Stirnfläche 5 einen gewissen Abstand A aufweist, der sich auf der anderen (in der Zeichenebene der 2 linken) Seite nicht findet. Der Abstand A entspricht dabei einer halben Rohrbreite, wenn das Endrohr 2 auf der anderen Seite mit der Stirnfläche 5 fluchtend abschließt. Wird auch hier ein kleiner Abstand ausgebildet, entspricht der Abstand A dem kleinen Abstand zuzüglich der halben Abstandsbreite zwischen den Rohren 2.
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3 verdeutlicht, dass die Nocken 7 demgegenüber einen gleichen Abstand von den zugehörigen Stirnflächen 5 aufweisen. Demgemäß schließen die Stirnflächen 5 immer fluchtend miteinander ab, unabhängig davon, ob das Modul 1 in 2 in der dargestellten ersten Montageposition oder in einer um 180° um die Hochachse durch den Nocken 8 gedrehten zweiten Montageposition auf ein unteres Modul 1 aufgelegt ist.
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2 lässt ferner noch zwei Durchgangslöcher 9 erkennen, die symmetrisch zu dem mittleren Nocken 8 des mittleren Sammelrohrs 4 angeordnet sind und der Befestigung des Moduls auf einer Tragkonstruktion dienen. Die Durchgangslöcher sind mit einem Abstand zueinander angeordnet, der weniger als 1/3 der Breite des Moduls 1 entspricht, sodass zwar eine verdrehsichere Befestigung möglich ist, jedoch Auswirkungen aufgrund von Längenänderungen des Materials des Moduls auf die Befestigungseinrichtungen, die durch die Durchgangsöffnungen 9 ragen, gering gehalten werden.
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5 zeigt eine Draufsicht auf eine Modulanordnung mit drei Modulen 1, bei der Zwischenräume zwischen den Rohren 2 nicht zu erkennen sind, weil die Zwischenräume zwischen den Rohren 2 durch Rohre einer unteren Lage ausgefüllt sind. Dies wird durch die Schnittdarstellung in 6 verdeutlicht. Die Schnittdarstellung zeigt drei Module 1, die flächig aufeinander gelegt sind, weil ihre Sammelrohre 3, 4, die mit einem an sich kreisförmigen Querschnitt ausgebildet sind, sowohl an der Oberseite als auch an der Unterseite eine abgeflachte Anlagefläche 10 aufweisen, wie sie insbesondere in 4 erkennbar ist. Die Anlageflächen 10 schneiden daher den Querschnitt nach Art einer Sekante.
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6 lässt die mittigen Nocken 8 an der Oberseite der Module 1 erkennen, die in entsprechende Nockenaufnahmen 8 auf der Unterseite der Module eingreifen. In entsprechender Weise greifen die Nocken 7 in entsprechende (nicht dargestellte) Nockenaufnahmen ein, und zwar unabhängig davon, ob das Modul 1 auf ein unteres Modul in der ersten oder in der zweiten Montageposition aufgelegt ist.
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6 zeigt, ein oberes Modul 1, das gegenüber den beiden unteren Modulen 1 um 180° um die Achse durch den Nocken 8 gedreht aufgelegt ist, sodass die Rohre 2 gegenüber den Rohren 2 der unteren Module 1 um eine halbe Abstandsbreite versetzt angeordnet sind, sich also jeweils auf Lücke zu den Rohren 2 des darunterliegenden Moduls 1 befinden. Hingegen sind die beiden unteren Module 1 in der gleichen Montageposition angeordnet, sodass die Rohre 2 der beiden unteren Module 1 miteinander fluchtend ausgerichtet sind.
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6 lässt ferner erkennen, dass die Rohre 2 einen ovalen Querschnitt aufweisen, bei dem sich die längere Achse in Hochrichtung des Moduls 1 befindet und die kürzere Achse in Querrichtung. Hierdurch wird ein Durchströmen des Pakets aus Modulen 1 von unten nach oben (in 6 von rechts nach links) und das dabei entstehende Vorbeistreichen an der Oberfläche der Rohre 2 optimiert.
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6 lässt ferner erkennen, dass sowohl die beiden unteren Module 1 als auch das darauf liegende Modul 1, das in der anderen Montageposition aufgelegt ist, mit den Stirnflächen 5 der Sammelrohre 3, 4 miteinander fluchten, sodass – unabhängig von der gewählten Montageposition – ein kompaktes und ansehnliches Erscheinungsbild des aus den gestapelten Modulen 1 gebildeten Wärmetauschers gewährleistet ist.
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In einem bevorzugten Anwendungsfall werden vier Module 1 zu einem Modulpaket miteinander verbunden, vier Modulpakete flächig nebeneinander angeordnet, sodass 16 Module 1 mit einem Flächenbedarf von vier Modulen 1 verwendet werden. Die Fluidverbindung der Modulpakete miteinander erfolgt über entsprechend ausgewählte Anschlussstutzen 6 einzelner Module 1.
