DE2722531A1 - Waermeaustauschrohr - Google Patents
WaermeaustauschrohrInfo
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Description
28 005
ΡΛ.ΤΕΝΤΛΙ r./Ä:.,TE
or. ing. H. NEGENDANK (ΐβτ,ΐ) tiru-iNG. IL. ilAüCii · dipi^piiys. W. SCHMITZ
. E. GRAALFS · dh'i..-ino. W. WEHNERT · dipu-phys. W. CARSTENS
HAMBUIIG-MÜNCHKN 2722 53 1
U. W. DÖRING
ZTTSTELLUNGSANSCHRIFT: 2OOO HAMBURG 36 · NEUER WALJ. 41
TKLBFON (O4O) 30 74 28 VND 36 4119
Carrier Corporation ζ
βοοο München a · mozartstr. as
P.O. Box 1000
Syracuse, New York Hamburg. 2. Mai 1977
U.S.A.
1W arm eau s tail s chrohr
Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Wärmeaustauschrohr, insbesondere auf ein Värme aus taus chrohr mit einer dichten
Anordnung spiralförmig darauf aufgebrachter stachelartiger Rippen.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf* ein Wärmeaustauschrohr,
welches'hergestellt ist aus einem ersten rohrförmigen
Element zur Führung eines Wärme- oder Kältemittels und einer sekundären Wärmeübertragungsfläche, die spiralförmig um das Rohr
herumgewickelt ist und eine Anzahl dünner dornartiger Rippen
aufweist, die von ihr vorstehen, um Enex*gie zwischen dem Wärmo-
oder Kältemedium und der über das Rohr hinweg streichenden Luft zu übertragen. Die Stachel oder Rippen sind über ihre ganze
Länge durch einen Luftspalt voneinander getrennt, welcher von der Basis der Wärraeübertragungsfläche zur Spitze jedes einzelnen
Dornes zunimmt. Der Lxiftwiderstand des Rohres ist somit auf ein
Minimum herabgesetzt und macht das Rohr gut geeignet für eine
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Verwendung bei Klimaanlagen oder dergleichen· Die Konstruktion
des mit dornartigen Rippen versehenen Rohres setzt auch die Möglichkeit eines Gefrierene des Kondensats
auf dem Rohr auf ein Minimum herab. Auf dem Rohr gebildete Feuchtigkeit wird durch die Dornen nach unten gelenkt und
infolge der hier gegebenen Oberflächenspannung schnell durch das Rohr entlassen. Es ist ferner zu beachten, daß ein
einziger Abschnitt eines umhüllten Rippenrohres bequem in jede beliebige Anzahl von Formen verformt werden kann, um
einen Wärmeaustauscher von nahezu jeder beliebigen geometrischen
Gestalt zu erzeugen, der leicht zusammenzubauen ist und kostspielige
Bestandteile in Fortfall kommen läßt, wie beispielsweise Rohrvendebögen oder dergleichen, die normalerweise bei
Wärmeaustauschern von einer mehr herkömmlichen Konstruktion
vorgefunden werden und durch Löten oder Schweißen an ihrem
Platz befestigt sind.
Obwohl, wie oben erwähnt, bei einem umhüllten Rippenrohr zahlreiche Vorteile gegeben sind,, ist doch diese Art Vorrichtung
in der Industrie bisher nicht in großem Maße verwendet worden, hauptsächlich wegen der zahlreichen Schwierigkeiten,
die mit der Herstellung eines solchen Rohres verbunden sind· Dies trifft insbesondere zu, wo die primären und sekundären
Rohrelemente aus Aluminium oder anderen Materialien hergestellt sind, die sich schwer aneinander anfügen lassen·
Vor Bekanntwerden dieser Erfindung wurde das sekundäre rippenelement entweder durch ein Metall bindeverfahren, wie
beispielsweise SOiveifl*** Löl«* VUvtUÖtren oder dergleichen,
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oder durch eine Klebverbindung mit dem primären Rohrelement verbunden. Die Metallbindetechniken verlangen im allgemeinen
spezielle, relativ kostspielige Einrichtungen zur Verbindung der Bestandteile. Außerdem setzen die meisten Metall-zu-Metallbindeverfahren
die Bestandteile ausnahmslos hohen Temperaturen aus, welche die Teile verwerfen oder durch Hitze
beschädigen können. Andererseits wird eine Klebverbindung kennzeichnenderweise dadurch erzielt, daß man die Außenfläche
des primären Rohrelements mit einem Klebstoffüberzug bedeckt und dann das sekundäre Rippenelement über das überzogene Rohr
wickelt. Es wird somit ein Wärmewiderstand, und zwar die Klebstoffschicht, in den kritischen Bereich zwischen dem
Rippenstreifen und des Austauscherrohrs eingeführt, durch welchen die Energie im Übergang hindurchgehen muß. Im allgemeinen
bildet dieser Bereich einen Engpaß in dem Värmeübertragungssystem
und jegliche Behinderung des Energiedurchgangs durch diesen Bereich setzt natürlich die Leistungsfähigkeit des
Wärmeaustausehröhres herab.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in einer Verbesserung der dünnrippigen Rohre, wie sie bei Wärmeaustauschern verwendet
werden.
Nach einem besonderen Merkmal der Erfindung wird ein spiralförmig herumgewickelter Rippenstreifen mittels eines Klebstoffs
fest mit einem Rohrkörper verbunden, so daß die Basis des Streifens positiv in Metall-zu-Metallberührung gegen die
Rohroberfläche gehalten wird,
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Die Erfindung bietet ferner den Vorteil eines spiralförmig
umwickelten Dornenrippenrohres, welches ausgezeichnete
Charakteristika hinsichtlich einer Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Schaffung von Einrichtungen zur bequemen Verbindung einer dünnwandigen
Wärmeübertragungsoberfläche aus Aluminium mit einem Aluminiuinrohr.
Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden durch ein ¥änneaTistauschrohr erreicht, bestehend aus einem primären
Rohrelement zur Führung einer wärmenden oder kühlenden Substanz und einer dünnwandigen sekundären Wärmeübertragungsfläche,
dio in inniger Metall-zu-Metallberührung mit dem
Rohr spiralförmig um das Rohr herumgewickelt ist und eine dichte Anordnung dornenartiger Rippen aufweist, die strahlenförmig
nach außen von ihr ausgehen, wobei sich zwischen den dornenartigen Rippen und der Rohroberfläche ein Meniskus
eines Klebstoffs zur Befestigung der sekundären Wänneübertragungsfläche
in Metall-zu-Metallberührung gegen das Rohr und zur Lagerung der Rippen in radial gestreckter Lage erstreckt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist außerdem eine dünne Schicht aus Klebstoff in Form eines
Überzugs auf die freigelegte Oberfläche der primären und sekundären Rohrelemente aufgebracht, um korrosionsbeständige
Lamellen zu bilden.
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Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie weiterer Vorteile und Merkmale derselben wird nunmehr auf
die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen·
Es zeigent
FIG, 1 eine teilweise perspektivische Ansicht zur Darstellung der Ausbildungsform und des Aufwickelns
einer sekundären Wärmeübertragungsfläche auf ein primäres Rohrelement;
FIG. 2 ebenfalls eine Teilansicht zur Darstellung des Aufbringens eines Klebstoffs auf db Rohroberfläche
und Abbinden desselben; und
FIG. 3 einen Teilschnitt zur Darstellung eines typischen
Querschnitts durch das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Wärmeaustauschrohr.
Bei Durchführung der Erfindung wird ein dünnwandiger ebener
Streifen aus einem Material 10 mit guten Wärmeübertragungseigenschaften
mit einer Reihe von Schlitzen 11 versehen, die sich von jeder Seite des in Fig. 1 gezeigten Blattraateriais
nach innen erstrecken. Die Schnitte oder Verzahnungen enden an dem Mittelstreifen 13 des Blattmaterials, um so zur Seite
verlaufende dornenartige Rippenelemente lU zu bilden. Der
geschnittene Streifen wird dann durch eine oder mehrere Rollenbacken, beispielsweise die Backe 15, hindurchgeführt, die
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mit besonderen Konturen ausgestattet sind, um die Rippen
auf jeder Seite des Mittelstreifens hochzubiegen und einen zusammenhängenden Rippenstreifen 20 von U-förmigem Querschnitt
zu erzeugen, der eine relativ flache Basis 16 und zwei parallel herunterhängende Schenkel 17, 18 aufweist,
die die dornartigen Rippen 14 enthalten.
Bei Bildung des U-förmigen Elements wird der Streifen auf
einer vorgegebenen Schraubenlinie spiralförmig um ein rohrförmiges Element 2h herumgewickelt, so daß der Mittelstreifen
oder die Basis 16 des Streifens in Berührung mit der Außenfläche des Rohres ge^en sie aufsitzt. Beim Herumwickeln
des Rippenstreifens um das Rohr wird er unter Spannung gesetzt, um sicherzustellen, daß eine positive
Metall-zu-Metallberührung zwischen den primären und sekundären
Rohrbildungselementen aufrecht erhalten bleibt. Wie am besten aus Fig. 1 ersichtlich, wird der Rippenstreifen,
welcher zwei Reihen ausgestreckter Rippen enthält, beim Aufwickeln auf das Rohr verformt, was die dornartigen Rippen
veranlaßt, sich radial von dem Mittelpunkt des Rohres fort auszubreiten. Die einzelnen Dorne oder Rippen sind somit
durch einen Luftspalt 25 voneinander getrennt, der allmählich,
von der Basic des Rippenstreifens zu den äußeren Enden der einzelnen Dorne zunimmt.
Vie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, kann der Rippenstreifen
ohne Unterbrechung um den rohrförmigen Körper herumgewickelt werden, um ein Rippenrohr 26 von nahezu beliebiger Länge
zu erzeugen. Xn der Praxis ist die Steigung der Schraubon-
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linie, bei welcher der Rippenstreifen um das Rohr herumgewickelt wird, vorzugsweise gleich dem seitlichen
Abstand zwischen den beiden parallelen Schenkeln des Rippenstreifens. Die spiralförmig gewickelten und auf
dem Rohr gelagerten Rippenreihon sind somit über die Länge des Rohres gleichmäßig voneinander auf Abstand gehalten,
um eine gleichmäßige und in hohem Grade dichte Dornanordnung darauf zu erzeugen. Die Abmessungen der einzelnen
Dornen sind so gewählt, daß der Oberflächenbereich, welcher der über das Rohr hinwegströmenden Luft zugewendet ist,
auf ein Maximum gebracht wird, während gleichzeitig der Druckabfall über das Rohr auf ein Minimum gebracht wird.
In Abhängigkeit von den herrschenden Betriebsbedingungen und von der Verwendung des Austauschers als Kondensator oder
Verdampfer kann die Breite der Rippen zwischen 0,020 und 0,100 Zoll betragen.
Nachdem"der Rippenstreifen um das Rohr herumgewickelt ist,
wird das Rohr in eine drehbankartige Halterung gelegt und unter einer Düse 30 gedreht, die so angeordnet ist, daß sie
einen härtbaren Klebstoff über die freigelegten Flächen des Rohres sprüht. Wahlweise kann man den Klebstoff auch einfach
aus einem Zapfen oder Zapfhahn über das Rippenrohr ausströmen lassen. Die Düse (oder Düsen) ist unmittelbar
über dem umwickelten Roh*· angeordnet itnd gestattet in dieser
Stellung ein Überziehen des Rippenrohres mit dem Klebstoff bei einer gesteuerten Geschwindigkeit, während es von dem
WickeIvorgang aus weiterbewegt wird. Es wird somit eine
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abgemessene Menge Klebstoff auf das Rohr aufgebracht, um die freigelegten Rohroberfltbhen mit einer dünnen Schicht
32 aus Klebstoff zu überziehen, die in Fig. 3 zur Erläuterung übertrieben gezeigt ist. Während sich das Rohr dreht, wird
jegliche übermäßige Klebstoffmenge, die möglicherweise auf
das Rohr aufgebracht worden sein kann, zum Herunterfließen auf den radial erstreckten Dornen entlang veranlaßt und
schließlich abgegeben , so daß ein relativ gleichmäßiger Überzug zurückbleibte
Gleichzeitig hierbei bewegt sich der Klebstoff automatisch auf jedem Schenkel des Streifens nach oben und auf der Rohroberfläche
entlang nach außen, um auf beiden Klebstoffselten des Rippenrohrkontaktbereichs über die Länge des Streifens
einen Meniskus zu bilden. Diese Doppelkehle dient somit zur Verbindung des sekundären Rippenstreifens in Metall-zu-Metallberührung
gegen das primäre Rohr und lagert auch die einzelnen Rippen in einer radial erstreckten Stellung, Wie ersichtlich,
ist der Klebstoff in dem Meniskus auch in der Lage, unter die Rippenstreifenbasis zu fließen, um jegliche Luftspalte
oder Leerräume zu füllen und so die Ansammlung jeglicher Fremdstoffe, insbesondere korrosionsfordernder Materialien,
zwischen dem Streifen und dem Rohr zu verhindera. Durch die
Spannung des Streifens gegen das Rohr wird der Klebstoff daran gehindert, in den Metall-zu-Metallkontaktbereich einzudringen.
Demzufolge wird nach Abbinden des Klebstoffe der sekundäre Rippenstreifen in festem Kontakt gegen das Rohr
gehalten, um eine wirksame Energieübertragung dazwischen zu gewährleisten,
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Vorzugsweise werden die freigelegten Oberflächen
achen sowohl
des Rohres als auch des Rippenstreifens mit einer dünnen Klebstoffschicht von etwa 0,0007 Zoll Dicke überzogen.
Wie bereits vermerkt, wirkt dieser Überzug als ein Wärmewiderstand in der Anlage, Jedoch ist ein ausreichender
Rippenbereich vorgesehen, um diesen zusätzlichen Widerstand aufzuheben, so daß die Gesamtleistung des Rohres nicht beeinträchtigt
wird.
Mit Bezug auf den Bewegungspfad des mit Rippen umwickelten
Rohres hinter der Düse ist eine Strahlungslampe 35 oder irgendeine andere Wärmequelle angeordnet, um den Klebstoff,
der auf die Rohroberfläche aufgesprüht worden ist, schnell
abzubinden. Es kann somit bei Durchführung der vorliegenden Erfindung jeder beliebige geeignete Klebstoff benutzt werden,
der in der Lage ist, bei Aussetzung an Strahlungswärme abzubinden. Die Lampe oder andere Wärmequelle wird in einer
Linie mit dem Bewegungspfad des mit Rippen umwickelten Rohres
angeordnet, um die überzogenen Oberflächen des darunter umlaufenden
Rohres zu behandeln. Zwischen der Lampe oder anderen Wärmequelle und der Düse wird eine ausreichende Entfernung
aufrecht erhalten, um ein vollständiges Ablaufen jeglichen auf die Rohroberfläche aufgebrachten überschüssigen Klebstoffs
zu gestatten, bevor das Rohr mit der Strahlungsenergie
behandelt wird. Beispielsweise kann auch die Lineargeschwindigkeit, bei welcher sich das Rippenrohr bewegt, mit
dem Abbindotakt koordiniert und eine Reihe Lampen benutzt werden, die ein vollständiges Abbinden des Klebstoffs als
eine Funktion des Bedarfs der Rohrlänge je Minute gestatten.
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Obwohl hier zum Aufbringen des Überzugs auf ein Rippenrohr ein Sprühverfahren beschrieben -wurde, ist die vorliegende
Erfindung nicht unbedingt auf dies spezielle Überzugsverfahren begrenzt. Es kann ein überzogenes Wärmeaustauschrohr in
ähnlicher Weise auch hergestellt werden durch Eintauchen des gerippten Rohres in ein Klebstoffbad und anschließendes Abtropfenlassen
des überzogenen Rohres nach Entfernung aus dem Bad für eine kurze Zeit zur Abgabe überschüssigen Klebstoffs
von dem Rohr vor der Behandlung des Rohrs mit Strahlungs energie. In ähnlicher Weise kann, venn der Klebstoff aus einem
wärmeenipfindlichen Material besteht, der Klebstoff zweckmäßig
in einem Ofentrocknungsprozeß oder dergleichen abgebunden werden. Ungeachtet des zur Anwendung kommenden Verfahrens,
ist festgestellt worden, daß ein Rippenstreifen mit einem
Basiselement, welches geeignet ist, auf ein Rohr aufgewickelt zu werden, und wenigstens einem von der Basis abhängigen
Rippenschenkel, der in der beschriebenen Weise nach außen gewendet ist, automatisch einen Meniskus an der Verbindung
des Schenkels mit der Basis und der Außenfläche des Rohres bildet, um den Rippenstreifen an dem Rohr zu befestigen und
die Dorne in einer radial erstreckten Stellung au lagern«
Während die Erfindung mit Bezug auf die hier offenbarte Konstruktion
beschrieben wurde, ist sie doch nicht auf die hier genannten Einzelheiten begrenzt, sondern umfaßt jegliche
Abwandlungen und Veränderungen, die in den Bereich der folgenden Ansprüche fallen«
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Claims (12)
1.) Verfahren zur Herstellung eines V/ärmeaustauschrohres
mit den folgenden Verfahrensschitten: Aufschlitzen
einer flachen langgestreckten Platte aus dünnwandigem Material von beiden Kanten seitwärts nach innen zur
Bildung gleichmäi3ig auf Abstand gehaltener Rippen längs
den Kanten der Platte, Biegen der Rippen in eine Stellung im wesentlichen lotrecht zu der Ebene der Platte, um
so einen U-förmigen Körper zu bilden mit zwei im wesentlichen parallelen Rippenreihen, die sich von seiner
Basis nach oben erstrecken, Herumwickeln der Basis des U-förmigen Elements um ein Rohr zur Bildung eines ununterbrochenen
Kontaktes zv/isehen der Basis und der Außenfläche
des Rohres, vodurch die Rippen sich von dem Rohr radial nach außen erstrecken, dadurch gekennzeichnet,
daß auf beiden Seiten des Rippenkörpers entlang an dem Punkte der Berührung zwischen dem Rippenkörper und der
Rohroberfläche ein Meniskus aus Klebstoff gebildet wird,
wodurch die Integrität des Metall-zu-Metallkontakte
zwischen der Basis der Rippe und der Rohroberfläche gewahrt bleibt, sowie Abbinden des Klebstoffs, um den
Rippenkörper fest mit der Rohroberfläche zu verbinden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daf3 der Rippenkörper beim Aufv:iekeln auf das Rohr mit ausreichender
Kraft unter Spannung gehalten wird, um einen ununterbrochenen Iletall-zu-i-Ietallkontakt zwischen der
Basis des Körpers und der Oberfläche des Rohres über die
ganze Länge der Umwicklung sicherzustellen. 709850/0776
ORIGINAL INSPECTED
3. Verfahren nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität des Klebstoffs, v/elcher den Rippenkörper
mit der Rohroberfläche verbindet, hoch genug ist, so daß der Klebstoff nicht in den Metall-zu-Metallkontakt
eindringen kann, dar· zwischen dem Rippenkörper und der
Rohroberfläche aufrecht erhalten wird.
4. Verfahren zur Erzeugung eines Wärmeaustauschrohres von
der beschriebenen Art, in welchem ein Rippenkörper in einer U-förmigen Gestalt mit zwei parallelen Reihen von
Rippen hergestellt wird, die sich von ihm nach außen erstrecken, und der mit Rippen versehene Körper spiralförmig
auf ein Rohr aufgewickelt wird, um einen Metallzu-Metallkontakt zwischen der Basis des Rippenkörpers
und der Oberfläche des Rohres herzustellen, dadurch gekennzeichnet, daß die freigelegten Oberflächen des Rippenkörpers
und des Rohres mit einem Klebstoff überzogen werden, wodurch sich an den Seiten des Rippenkörpers und
der Oberfläche des Rohres entlang ein Meniskus aus Klebstoff bildet, und daß der Klebstoff abgebunden wird, um
den Rippenkörper an dem Rohr zu befestigen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug durch Eintauchen des Rippenrohres in ein
Klebstoffbad gebildet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
das Harz d ch FrvvcirmuK- des Rippenkörpers und des Rohres
abgebunden -./ird und da ο Rohr ferner vor dem Erwärmen an
der- Luft getrocknet rLnd de^urch übeÄSXihüssiger Klebstoff
von ihm entfernt v.irn,
7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gerippte Rohr durch Aufsprühen eines wärmeempfindlichen
Klebstoffs über das spiralförmig gewickelte Rohr
überzogen und der Klebstoff durch Lenken einer Energie von einer Strahlungsquelle auf das mit Klebstoff überzogene
Rohr abgebunden wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug durch Herüberströmenlassen des Klebstoffs
über das Rohr gebildet wird.
9. Rohr zur Verwendung in einem Wärmeaustauscher mit einem "
langgestreckten Rohrkörper, einem Rippenstreifen mit einem Basisabschnitt und einem Rippenabschnitt, der sich
von der Basis forterstreckt, wobei dieser Streifen unter Spannung der Streifenbasis gegen die Oberfläche des
Rohres um den rohrförmigen Körper herumgewickelt wird, um einen innigen Metall-zu-Metallkontakt zwischen ihnen
zu gewährleisten, und sich die Rippen radial von dem Rohr forterstrecken, gekennzeichnet durch eine dünne Schicht
Klebstoff, die die freigelegte Oberfläche des Streifens und des Rohres bedeckt, um einen Schutzüberzug darüber
zu bilden und einen zusanunenhängenden Meniskus aus Klebstoff längs beider Seiten des Streifens zur Befestigung
des Streifens in Berührung mit der Rohroberfläche und zur Lagerung des Rippenelemente in radialer Richtung
zu bilden.
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10. Rohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rippenstreifen im Querschnitt U-förmig ist, zwei parallele
Rippenreihen sich von der gemeinsamen Basis nach oben erstrecken und sich ein Meniskus aus Klebstoff
von der Basis nach oben erstreckt, um jede einzelne Rippe im wesentlichen lotrecht zu der Basis zu lagern.
11. Rohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoffüberzug, welcher auf die freigelegten Oberflächen
des Rippenstreifens und des Rohres aufgebracht wird, aus demselben Material besteht wie der Klebstoff in dem Meniskus.
12. Rohr nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein in der Wärme abbindender Klebstoff ist.
7098S07077S
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