DE2803413C2 - Wärmetauscherelement, Verfahren zu seiner Herstellung und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Herstellung.

Es ist bekannt (DE-OS 24 61249), ein mit einer rieselfähigen Isoliermasse, in welche ein elektrisches Heizelement eingebettet ist, gefülltes Rohr mit einem harten Metalldraht zu umwickeln und dann in die Oberfläche eines dickwandigen Metallblechs zur Herstellung einer mechanisch dauerhaften, wärmeleitenden Verbindung derart einzupressen, daß das Material des Metallbleches unter Bildung von Hinterschneidungen um den Metalldraht herumfließt Bei dem Zusammenpressen von Rohr und Blech wird das Rohr allerdings bleibend verformt, wobei in der Rohrwandung auch Stauchungen auftreten, so daß der ursprünglich am Rohrstrang anliegende Metalldraht locker v/ird und die zuverlässige, wärmeleitende Verbindung nicht mehr gewährleistet ist Ferner wird unvermeidlich der Metalldraht auch in die Oberfläche des Rohres eingepreßt wodurch dessen Wandstärke örtlich geschwächt ist Da sich an derartigen Schwächungsstellen auch Risse bilden können, ist die bekannte Anordnung selbst dann zur Aufnahme eines flüssigen oder gasförmigen Wärmetausehmediums ungeeignet, wenn das beim Verpressen die Rohrinnenwand abstützende, sandähnliche Isoliermaterial aus dem Rohr entfernt würde.

Ferner ist es allgemein bekannt Metall-Rippenkörper-Wärmetauscher in der Weise herzustellen, daß fahnenartige oder scheibenartige Metallrippen an einem den Strömungskanal bildenden Metallrohr vorgesehen, insbesondere durch Lötung oder Schweißung befestigt werden. Auch ist es bekannt, ein den Strömungskanal bildendes Metallrohr an einem Wandelement, etwa einem Kessel oder einer ausgedehnten Absorberfläche, festzulöten, um einen guten Wärmeübergang zwischen dem Metallrohr und dem Wandelement zu gewährleisten und eine mechanisch feste Verbindung herzustellen.

Bei der Verbindung des den Strömungskanal bildenden Metallrohres mit dem die Energieaustauschflächen besitzenden Wandelement nach den letztgenannten, bekannten Verfahren tritt jedoch der Nachteil auf, daß wegen der zur Befestigung erforderlichen Wärmebehandlungsschritte ein beträchtlicher Zeitaufwand erforderlich ist und die Herstellung außerdem vergleichsweise teuer ist.

Ausgehend von dieser Problemlage liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Stand der Technik zu einem von einem Strömungsmittel durchströmten Metallrippen-Wärmetauscherelement weiterzubilden, das auf eine besonders einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

so Hierbei ist von besonderer Wichtigkeit, daß das Metallrohr härter ist als der Metalldraht, so daß dieser beim Verpressen keinesfalls in das Metallrohr eindringt, um die Wandstärke des Metallrohres nicht in undefinierbarer Weise örtlich zu schwächen, so daß ein besonders dünnwandiges und hiermit billiges Metallrohr bei voller Druckfestigkeit und Undurchlässigkeit als Strömungskanal verwendet werden kann. Dieses Metallrohr ist federnd verformbar und im wesentlichen unverformt, so daß es nach dem Verpressen seine Ausgangslage wieder einnimmt, wodurch stets gewährleistet ist, daß der Anfangsstrang des auf das Metallrohr aufgewickelten Metalldrahtes auch nach dem Verpressen stramm an der Rohr-Außenwand anliegt und somit eine wärmeleitfähige Verbindung zwischen Metallrohr und Metallblech sicherstellt.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelements wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem in den lichten Querschnitt

des Metallrohres mit Spiel ein Dorn eingeführt wird; bei entsprechender Materialwahl und Abstimmung der Dimensionen zeigt sich überraschenderweise, daß der Dorn auf eine beträchtliche Länge das den Strömungskanal bildende Metallrohr gegen den zum Einpressen der Drahtwindungen in das Metallblech erforderlichen Preßdruck abzustützen vermag und danach wieder aus dem Metallrohr herausgezogen werden Kann, da dieses nach dem öffnen der Presse in seine Ausgangsform zurückfedert, in welcher ein für das Ausziehen des Domes ausreichendes Spiel zwischen dem Metallrohr und dem Dorn vorliegt

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird zur Durchführung des Verfahrens eine Presse verwendet, deren Preßplatten oder Gesenke rinnenartige Ausnehmungen zur Aufnahme des Scheitelbereiches des umwendehen Metallrohres einerseits und der gegenüberliegenden, sich während des Preßvorganges bildenden Ausbuchtung des Metallblechs andererseits aufweisen. Das die Energieaustauschfläche tragerde Metallblech schmiegt sich dann über ein bestimmtes Umfangssegment des Metallrohres an dieses an, so daß sich der Wärmeübergangsquerschnitt zwischen Metallrohr und Metallblech entsprechend vergrößert.

Die Presse kann zur Herstellung größerer Längenstücke des Wärmetauschers taktweise betrieben werden. Ferner ist es möglich, mehrere umwendelte Metallrohre parallelliegend auf das Metallblech aufzupressen. Zweckmäßig werden zur Herstellung eines größere Flächenbereiche aufweisenden Wärmetauschers Abschnitte des auf das Metallblech gepreßten Metallrohres über Rohrbogen zur Bildung eines Kanalsystems verbunden.

Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß es an sich bereits bekannt ist, auf ein Metallrohr einen Preßdruck auszuüben, während in dieses Metallrohr ein ausziehbarer Dorn eingeführt ist (Technische Rundschau, Nr. 39 vom 18.9.1959, Seite 41).

Das erfindungsgemäße Metall-Rippenkörper-Wärmetauscherelemer.t besitzt Außenflächen zum Energieumtausch mit der Umgebung. Diese Umgebung kann von einem weiteren Wärmelauschmittel erfüllt sein, beispielsweise am Strömungsmittel wie Wasser oder Luft, oder einem als Wärmequelle oder Wärmesenke wirksamen Feststoff, etwa dem Erdreich. Auch kann bei Wärmetauschern der hier betrachteten Art in der Umgebung Strahlungsenergie zur Verfügung stehen, welche von den genannten Flächen des Wärmetauschers absorbiert wird.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung beschrieben. Es stellt dar

F i g. 1 eine schematische perspektivische Zeichnung eines Metall-Rippenkörper-Wärmetauscherelements in einem die wesentlichen Einzelheiten wiedergebenden Ausschnitt,

F i g. 2 einen Axialschnitt durch das in F i g. 1 gezeigte Wärmetauscherelement,

F i g. 3 eine Aufsicht auf ein Wärmetauscherelement mit mehreren, parallelliegenden Rohrsträngen, und

Fig.4 eine stark schematisierte Ansicht einer Einrichtung zur Herstellung von Wärmetauscherelementen nach den F i g. 1 bis 3.

F i g. 1 zeigt in perspektivischer, schematischer Darstellungsweise einen Ausschnitt eines Wärmetauscherelements der hier vorgeschlagenen Art. Ein die Energieaustauschflächen aufweisendes Wandelement 1 ist von einem Metallblech oder Metallblechstreifen gebildet, welcher auf einer Seite ein den Strömungskanal für ein Wärmetauschmittel bildendes Metallrohr 2 trägt und sich über ein Umfangssegmeut s an das Metallrohr anschmiegt

Das Metallrohr 2 ist an dem Metallblech 1 durch eine Lage von das Metallrohr umgebenden Metalldrähten 3 verankert, welche eine feste Verbindung zu dem Metallblech 1 haben und mit den das Metallrohr umgebenden Schleifen das Metallrohr 2 am Metallblech 1 festhalten.

Die feste Verbindung zwischen den über das Umfangssegment s hinweg verlaufenden Abschnitten der Windungen des Metalldrahtes 3 einerseits und dem Metallblech andererseits kann, wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, auf einem Formschluß zwischen dem Metallblech und den Metalldrahtwindungen beruhen, welcher dadurch entsteht, daß das Material des Metallbleches 1 beim Anpressen des umwendehen Metallrohres 2 gegen das Metallblech 1 die Windungen des Metalidrahtes 3 im Bereich des Umfangssegmentes s teilweise umfließt Auf den Preßvorgang soll weiter unten im Zusammenhang mit F i g. 4 näher eingegangen werden.

Gemäß einer praktischen Ausführungsform können mehrere parallellaufende umwendelte Metallrohre mit einem Metallblech 1 verbunden sein, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die einzelnen Metallrohre 2 werden nach der Verbindung mit dem Metallblech 1 über Rohrbogen 4 zu einem Iianalsystem zusammengeschlossen. Diese Rohrbogen können angeschweißt oder insbesondere durch Lötung mit den stirnseitigen Enden der Metallrohre 2 verbunden werden.

Zur Herstellung von Wärmetauscherelementen nach den Fig. 1 bis 3 wird ein mit einer Drahtumwendelung versehenes Metallrohr 2 mit einem Dorn 5 gefüllt, welcher ein bestimmtes Spiel gegenüber der lichten Weite des Metallrohres 2 besitzt, wie in Fig.4 angedeutet ist. Das mit dem Dorn 5 erfüllte Metallrohr 2 wird zusammen mit dem Metallblech 1 in eine Presse 6 eingebracht, deren Gesenkplatten 7 und 8 in Axialrichtung eine auf die axiale Länge des Metallrohres 2 abgestimmte Länge oder auch eine geringere Länge besitzen. Die Gesenkplatten 7 und- 8 weisen jeweils rinnenartige Ausnehmungen 9 bzw. 1.0 auf, welche zur Aufnahme des Scheitelbereiches des umwendelten Metallrohres einerseits und einer sich während des Preßvorganges bildenden Ausbuchtung des Metallbleches 1 entsprechend dem Umfangssegment s andererseits dienen.

Wird die Presse 6 betätigt, wobei sich die Gesenkplatten 7 und 8 aufeinander zu bewegen, so schmiegt sich das Metallblech 1 an das umwendelte Metallrohr 2 an und die Windungen des Metalldrahtes 3 drücken sich in dem Umfangssegmentabschnitt sin das Metallblech ein, wobei eine Kaltverbindung zwischen den Windungen des Metalldrahtes und dem Metallblech aufgrund eines sich bildenden Formschlusses und/oder aufgrund einer Kaltschweißverbindung oder Legierungsverbindung entsteht.

Reicht der verfügbare Preßdruck zur Herstellung des gesamten Wärmetauscherelemente nicht aus, so kann durch Vermindern der Axiallänge der Gesenkplatten 7 und 8 und taktweises Betätigen der Presse 6 jeweils nach Erzeugung eines taktweisen Relativvorschubes zwischen Presse und Preßgut die Herstellung in der angegebenen Weise durchgeführt werden.

Wärmetauscherelemente der hier angegebenen Art können bei Verwendung entsprechender Dorne für den Preßvorgang mit als Strömungskanal dienenden Metall-

rohren im wesentlichen beliebigen Querschnittes hergestellt werden. Vorzugsweise ist der Rohrqucrschnitl jedoch rund.

liin nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestelltes Wärmetauscherelement kann Metallrohre und Metallbleche aufweisen, welche im wesentlichen aus gleichen Werkstoffarten bestehen, die jedoch unter Beachtung der oben diskutierten Gesichtspunkte unterschiedliche Härte besitzen. Es können jedoch auch jeweils verschiedene Werkstoffe gewählt werden.

Beispielsweise kann das Metallrohr aus Edelstahl bestehen und das Metallblech kann aus Stahl oder aus Aluminium gefertigt sein. Der das Metallrohr umwendclnde Metalldraht besitzt jedenfalls eine geringere Härte als das Metallrohr und eine größere Härte als das Metallblech.

Schließlich können vorzugsweise auf einem einzigen Metallblech mehrere Metallrohre parallellaufend angeordnet sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscherelement mit einem Metallrohr, an dessen Außenwand ein harter Metalldraht wendelartig anliegt, und einem Metallblech, das in einem Anlagebereich den kleineren Teil des Umfangs der Außenwand einschließt, weicher ist als der Metalldraht und im Anlagebereich dessen größten, nicht an der Außenwand angrenzenden Querschnitt formschlüssig umgreift, dadurch gekennzeichnet, daß das als Strömungskanal ausgebildete Metallrohr (2) härter ist als der Metalldraht (3), aus einem federnd nachgiebigen Metall besteht und im wesentlichen unverformt ist, und daß das Metallblech (1) auf der vom Anlagebereich abgewandten Oberfläche eine dem Metallrohr entsprechende Ausbuchtung bildet

2. Wäimetauscherelement nach Anspruch ! dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (2) aus Edelstahl besteht und daß das Metallblech (1) aus Stahl oder Aluminium besteht

3. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (2) und das Metallblech (1) aus im wesentlichen gleichen Werkstoff arten unterschiedlicher Härte bestehen.

4. Verfahren zur Herstellung des Wärmetauscherelements nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Metallrohr zunächst mit dem Metalldraht umwickelt und dann mit dem Metallteil verpreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verpressen mittels Formgesenken (7, 8) ein loser Dorn (5) in den Strömungskanal eingelegt wird, und daß beim nachfolgenden Preßvorgang dieser derart gesteuert wird, daß das Material des Metallblechs (1) den Metalldraht (3) umfließt, während das Metallrohr (2) im wesentlichen nur federnd verformt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, mit einer gegebenenfalls taktweise betreibbaren, mit zwei Gesenkhälften versehenen Presse, wobei die Gesenke eine rinnenförmige Vertiefung aufweisen, die zur Aufnahme des Scheitelbereiches des umwendelten Metallrohres einerseits und einer gegenüberliegenden, sich während des Preßvorgangs bildenden Ausbuchtung des Metallblechs andererseits eingerichtet sind, und wobei der Dorn zwischen den Vertiefungen anbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Domes (5) derart bemessen ist, daß er mindestens so groß ist wie die lichte Höhe des um die Federgrenze zusammengedrückten Metallrohres (2), aber kleiner als die lichte Höhe des freigegebenen, zurückgefederten Metallrohres.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer taktweise betriebenen Presse (6) deren Gesenke (7, 8) kürzer sind als die Länge des herzustellenden Wärmetauscherelements.