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GEPRESSTER WÄRMEAUSTAUSCHER UND DESSEN FERTIGUNGS-VERFAHREN Die Erfindung
bezieht sich auf gepresste Wärmeausrauscher und deren i?ertigungsverrahren.
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Bei der Fertigung von Wärmeaustauschern besteht aas Bestreben, Je
billigere und wirksamere Konstruktionen herzustellen. Wahrend die üblichen Glattrohr-Wärmeaustauscher
nur @egrenzte Entwicklungsmöglichkeiten bieten, sind bei den berippten Wärmeaustauschern
mannigfaltige Formen möglich. bei den berippten Wärmeaustauschern werden bekanntlich
an der Seite des Aussenmediums mit schlechterer Wär-1035/8 àit,
meübergangszahl
Rippen angewandt wld das Medium mit günstigerer Wärmeabgabe strömt in Rohren oder
Kanälen. Von Rippenrohren ist eine grosse Variantenzahl bekannt, wie zjB.
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ßtachelrippen-, Drahtrippen-, Plattenrippen und Rippen -konstruktionen
mit unterbrochenen Rippen. Bei diesen ist die gute Wärmeleitverbindung zwischen
Rippe und Rohr wesentlich. Ein wichtiger Gesichtspunkt ist ausserdem, dass der Rippenwiderstand
gering sein muss und dass man bei geringerer Bentilatorarbeit eine günstige Wärmeübergangszahl
sichern könne. Im Interesse einer guten Wärmeleitverbindung wird das Rohr bzw. der
Kanal und die Rippe möglichst aus demselben Material hergestellt, oder wird die
Verbin -dung durch Löten und Schweissen gesichert.
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Auf den bedeutendsten Gebieten der Verwendung von berippten Wärmeaustauschern,
in der Lufttechnik, Kälte -technik, bei !Prockenkühltürmen usw. haben sich die aus
leichtmetall, aus Aluminium gefertigten Konstruktionen infolge der guten Wärmeleitfähigkeit,
des geringen spezifischen Gewichtes und der günstigen Korrosionseigenschaften des
Aluminiums als die wirtschaftlichsten erwiesen.
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Bei Aluminium können jedoch die gewohnten Löt- und Schweissverfahren
aus technologischen oder wirtschaftlichen Grun"-den nicht angewandt werden, weshalb
statt dieser die verschiedenen Pressverfahren in den Vordergrund getreten sind.
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Eines der verbreitetsten Verfahren besteht darin, dass man an den
Plattenrippen des berippten Wärmeaustauschers eine dem ohr:nass entsprechende flanschenförmige
Aufbiegung anwendet, die Rippen auf das Rohr aufreiht, sodann das Rohr
von
innen aufweit-etO bei einer anderen Lösung werden zur sicherung dr Gu Wärmeleitverbindung
zwischen einem dünnwandigen Rohr un(t einer dünnen Kippe, nach je einer Rippe Abstandsringe
auf das, Rohr aufezogen, die mittels Axialdruck und Aufwe@@@und der Rohre an die
Rippen bzw. an die Rohre befestigt werden Letzteres ist, obgleich es eine vollsommene
Metallverbindung, sichert, dennoch nachteilig, da die aus Rohr gefertigten Abstandsringe
die Kon -struktion verteuern, infolge Aufziehens der vielen Ringe die Ripenrohrfertigung
erschweren, die Produktionszeit verlängern, wodurch auch aie Herstollungskosten
steigen.
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Der Wirtschaftlichkeitsanspruch an aie optimalen Rippe penwärmeaustauscher
wäre, dass sowohl das Rippenmaterial, als auch die Rohr- bzw. Kanalwand möglichst
dünn wären.
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Selbstverständlich bind der Starkeverringerung durch die Technologie,
die gegenüber Beschädigungen geforderte hestigkeit und nicht zuletzt die notwendige
wärmeleitung zwi -schen Rippe und Rohr Grenzen gesetzt. Die üblichste Verbindung
zwischen Rippe und Rohr, wobei auf der wippe ein Flansch geformt und olese dann
auf das Rohr gezogen wird, sichert unter einer gewissen Materialstärke nicht mehr
die nötige Steifheit und so ist der Kontakt zwischen Rohr und Blech nicht mehr vollkommen.
Infolgedessen verringert sich die Wärmeübergangszahl gegenüber einer mit vollkommenem
Kontakt erreichten Wärmeleitung um 15 - 20 %. Die Verdüngung des Rippenbleckmaterials
ist aber begrenzt t durch die verschiedenen turbulenzbildenden Elemente, die unterhalb
einer gewissen Materialstärke hinsichtlich Festigkeit
nicht mehr
entsprechen. Den Festigkeitsanforderungen kann daher bei einem sehr dünnen, oft
aus nur einige Zehntel-Millimeter dünnem Material hergestelltem Rippenblech nur
sehr schwer, oder überhaupt nicht entpsrochen werden. Aus so dünnem Blech hergestellte
turbulenzbildende Elemente, Unterbrochene-Rippen usw. sind sehr verletzbar und die
wärmeabgebende Konstruktion ist auch den geringsten Ein -flüssen gegenüber empfindlich.
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Zweck der Erfindung ist die Behebung der erwähnten Mängel und die
Verwirkliohung eines Wärmeaustauschers, der auch im Falle von sehr dünnem Rippenbiech
entsprechende Wärmeleitung zwischen Rohr und Blech sichert und dessen Festigkeit
auch entsprechend ist. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass obigem Ziel
entsprochen werden kann, wenn an der Anschlussstelle des Rippenbleches, sowie bei
den turbulenzbildenden Elementen Versteitungen aus eigenem Material ausgebildet
werden. Die erfindung ist also ein ge presster Wärmeaustauscher, wobei das Wesentliche
darin besteht, dass an der Berishrungsstelle von Rohr und Blech am Rippenblech ein
mit einer Versteifung versehener Flansch aus dem BLechmaterial gebildet ist und
die Rippen Versteiungen aus Eigenmaterial besitzen. Bei einer bevorzugten rfindungsaustührung
ist die Flanschwand aus Eigenmaterial mit Stauchverdickung herausgebildet oder mit
einer Umbördelung zwischen Oo und 1800 versehen.
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Bei erfindungsgemässer Fertigung des Anschlussflanshces des Wärmeaustauschers
wird der Blechflansch in mehreren Stufen tiefgezogen, sodann gelöchert und schliesslich
umgebördelt
bzw. zurückgestaucht.
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Der erfindungsgemäss gepresste Wärmeaustauscher entspricht den an
ihn gestellten wirtschaftlichen, statischen und wärmetechnischen Anforderungen,
er kann nämlich bei entsprechender Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit aus wesentlich
dünnerwandigem Rippenblech hergestellt werden, als bisher.
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Die Erfindung wird näher durch Ausführungsbeispiele aufgrund von
Zeichnungen erläutert.
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Fig. 1. zeigt; das erfindungsgemässe Fertigungsexemplar des Flansches.
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Fig. 2 zeigt ein weiteres Fertigungsbeispiel der Flanschversteifung,
während Fig. 3. einen aus Sigenmaterial gestauchten Flansch darstellt.
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Fig. 4 - 10. führen die verschiedenen Phasen der Flansch fertigung
vor.
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Fig. 11 - 15. zeigen die verschiedenen beispiele der errindungsgemässen
Ausführung von Wärmeaustauschrippen.
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Fig. 16- 18. zeigen die verschiedenen Phasen der ip pengestaltung.
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Fig. 19. zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäss durchgeführten
Wärmeaustauschers, während Fig. 20 - a2. weitere Fertigungsbeispiele veranschaulichen.
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Sig. 1 tührt die Variante vor, wo der übliche flansch mit der an
dessen Oberteil angewendeten Rückbördelung 2 auf eine auf der Fig. links von der
Mittellinie sichtbare Weise
verstärkt wird. Auf der rechten Seite
von Fig. 1 ist die Variante mit Ausflanschung 3 ersichtlich. Die Austlanschung dient
auch zur Abstandshaltung zwischen den Rippen. Auf Fig. a. ist der Flansch infolge
Rückbördelung des blechs 4 doppelt so dick, wie das Rippenblech 1. Die auf itig.
3.
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- des besseren Verständnisses wegen in etwas übertriebenen Massverhältnissen
- dargestellte Variante steht der besonders wirksamen Ausführung mit Abstands- und
Anschlussringen am nächsten. Hier wira der Ring" 5 aus dem starken 6 (z.B. 0w3 mm)
Rippenblechmaterial mittels tagung derart hergestellt, aass die wand des flansches
5 stärker wird (z.B. 0,6 mm) als das Originalblech. Die Höhenmasse des herausgebildeten
hlansehes 8 werden durch die Presstechnologie und die zum Pressen zur Verfügung
stehende Materialnenge bestimmt (z.B. 1,8 mm). Durch Strecken der dem Flansch benachbarten
Biechmaterialteije - zu Lasten einer geringen Herabsetzung der Blechstärke - kann
jedoch auch ein höherer "Ring" ausgepresst werden.
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Der Erfindung gemäss kann im Fertigungsverlauf die Herausbildung
des steifen Flansches, wie aus Figuren 4 - 7.
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ersichtlich, in mehreren l'iefziehstufen erfolgen. In der ersten Stufe
- Fig. 4. - beginnt der Tiefziehvorgang bei einer Oberfläche mit einem grösseren
Durchmesser 9 als gewünscht, durch ein geringes Auspressen des Blechmaterials 10.
In dem weiteren Zichstufen wird der Durchschnitt des Flansches immer geringer, seine
Höhe jedoch 11, 12, 13 immer grösser siehe Figuren 5 - 7.). Der Vorgang auf Fig.
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8. ist die Durchlochung der auf Fig. 7. dargestellten
Blechform
und die Ausbildung eines geraden Flansches 14.
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Bei der Variante nach Fig. 9. erfolgt; die Versteifung der Flanschform
links in der Mig. durch Abwärtsbiegen 3 um z.
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B. 900 und rechts in der Fig. durch Rückbiegung 2 um 180° des Flansches
14. Letzterer Vorgang kann auch auf die in Fig. 10. dargestellte Weise durchgeführt
werden, nämlich durch Drückstauchen der Flanschform (14 in Fig. 8. und gestrichelte
Linie in Fig 10 in die Form 9. durchgezogene Linie). Auf diese Weise lässt sich
eine äusserst steife, einen Ring ersetzende Flanschform gestalten, deren nnenmanGel
parallel zur Mantellinie des Rohres ausgebildet ist, daher mit dem Rohr auf einer
sehr grossen Oberfläche in Beruhrung stehen kann. Die grosse und genaue Kontakt-Oberfläche
sichert eine vollkommene Wärmeleitung zwischen Kohr und ppen.In gewissen Fällen
sichert der Flansch auch die Abstandshaltung zwischen den Rippen dadurch, dass der
0-berrand des Ringteils an das davor befindliche Blech stösst. Infolge der begrenzten
Höhenabmessung des ringrörmigen Flansches kann der Abstand zwischen den Blechen
bei grösseren Rippenteilungen auch durch aus dem aippenmate -rial herausbiegbaren,
nachstehend beschriebenen Ohren gesichert werden.
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Die der erfindung gemasse Ausbildung der rippen ist aus den Figuren
11 - 16. ersichtlich. Das Wesentliche der Ausführung ist, dass die Störung bzw.
Unterbrechung der die Wärmeabgabe erschwerenden Grenzschicht durch die schon bekannte
unterurochene Hippenanordnung erfolgt, doch sind die unterbrochene Kippen zwecks
Versteifung mit einer aus
dem eigenen Material geformten Verstärkung
versehen. Bei der aus iiig. II. ersichtlichen Lösung machen die Rippen durch Rückbördeln
auf 1800 das Doppelte ihrer ursprungeichen Stärkeabmessung aus. Abgesehen davon,
dass die Kurzrippen stärker sind, ist ein weiterer Vorteil dieser Anordnung, dass
die empfindlichste, von der buitstromrichtung her gerechnete Eintrittkante des Rippenbiochs
eine Verstarkung erhalt.
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Vas Wesentliche an der in Fig. 12. dargestellten Ausführungsvariante
ist, dass der Querschnitt der aus Eigenmateriai mit IEckbördelung herausgepressten
Rippen Stromlinie, Profilform hat. Die Profilform kann zur Strömungsrichtung in
einem Winkel ausgebildet werden. Die Rippe mit Zeichen a) in Fig. 12. besitzt eine
zur Strömung parallele Mittellinie. Die Mittellinie der Rippe mit Zeichen b) ist
in einem gewissen Winkel zur Strömung angeordnet.
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Die Lage der Mittellinie bei der Rippe ermöglicht eine steigende Strömung.
Auch die Rippe mit Zeichen c) hat einen Einstellwinkel, hier strömt die Luft abwärts.
Die auf diese Weise abwechselnd in verschiedenen Winkeln angeordneten Rippen ermöglichen
eine wellenlinienförmige Luftströmung, und so stösst die Herausbildung von Laminar-Grenzschichten
auf Hindernisse, die Luft ist im Strömungslauf einer intensiven Mischung ausgesetzt.
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Die Störung der Grenzschicht kann auch mittels der auf Figuren 13
- 15. dargestellten, ohrenförmig herausgebogenen Rippen erfolgen, die mit entsprechenden
Einpressungen, Rücketauchungen versehen sind. Ein Teil der Ohren kann
so
hoch ausgebildet werden, dass sie auch die Abstandshaltung zwischen den Rippen sichern.
Die Ohren können parallel zur Luftstromrichtung, oder mit dieser einen gewissen
Winkel bildend, wechselweise ausgepresst werden.
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Das erfindungsgemässe Rippeniertigungsverfahren muss nach den aus
Figuren 16 - 18. ersichtlichen Stufen durchgeführt werden. In der ersten Stufe (Fig.
16.) wird die Rippe herausgeschnitten. Sodann erfolgt die Rippenaufbördelung (ig.
17.) und danach das Biegen in die gewünschte Form $Fig. 18.).
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Die Fertigung des Wärmeaustauschers mit Pressrippen kann erfindungsgemäss
auf Grund des Obenangeführten in mehreren Stufen erfolgen, die zweckentsprechend
zu kombinieren sind. Zunächst wird die Rippenherstellung vorgenommen, wobei in einer
der Phasen die flanschartigen Ringe herausgeschnitten bzw. gepresst werden. In der
zweiten Phase rolgt die Herstellung des turbulenzbildenden Rippenwerkes.
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Diese Vorgänge können durch ein mehrstufiges Presswerk -zeug in verschiedenen
l'eilphasen erfolgen. Sodann werden die Rippen auf die Rohre oder Taschen aufgereiht,
dem Gesamthöhenmass der hlanEsche entsprechend axial zusammen -gepresst und schliesslich
die Rippen durch Aufweiten des Rohres fixiert.
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Fig. 19. stellt einen der vertikalen quercichnitts des mit dem empfohlenen
Gerippe gefertigten Wärmeaustauschers dar. Bei der aus der Fig. ersibt1ichen Anordnung
werden vollkommen gleichartig aussehlldete Rippenblt:he auf die Wärmeaustauschrohre
aufgereiht. Die flansch3rtige
Ausbildung oder das abstandhaltende
Ohr schliesst sich an das vorhergehende Rippenblech durch Ansuoss an.
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Fig. 20. zeigt; eine Rippenblechanordnung, wo jedes zweite Blech
um eine heilung versetzt angebracht ist. Die sich derart ergebende Anordnung kann
so verwirklicht werden, dass die Anschlussflanschen auf den Blechen unter -schiedlich
angebracht sind. Zweierlei Rippentypen sind ertorderlich: bei denen mit Bezeichnung
a) rolgt der Kohran schluss von der Rippenkante z.B. auf zwei Teilungen, bei Rippenbezeichnung
b) folgt er von der dippenkante aut eine Teilung. Nach Aufreihen der zweierlei ausgebildeten
Bleche auf das Rohr, entsteht die gewünschte versetzte Rippenanordnung, wo unter
einen Ausschnitt ein nicht ausgeschnittener eil kommt.
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Die versetzte Kurzrippenanordnung kann auch mittels der auf Fig.
21. gezeigten Anordnung erreicht werden, wo aus dem Sigenmaterial der Rippen je
eine Kurzrippe gepresst und durch Rückbördeln die Rippensteite erreicht wird. Der
Vorteil dieses letzteren, etwas komplizierten Fertigungsverrahrens ist, dass nur
einerlei Rippenbleche bzw. Flan -sche gefertigt werden müssen. Die Rippen versetzt
anordnefl kann man nach ihrer Aufreihung auf das rohr.
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Fig. 22. zeigt eine der möglichen Anordnungsvariante der ohrenart;ig
herausgeoogenen Kippen, wo die Kippen ausser ihrer Kolle als Turbulenzerzeuger auch
noch die Buttleitungsaufgabe haben, da nämlich durch eine verschiedentliche Rippenkombination
die Luft; in die gewünschte Kichtun; geleitet werden kann.