DE3331186A1

DE3331186A1 - Heizungsrohr mit eckigem bedrahtungsprofil

Info

Publication number: DE3331186A1
Application number: DE19833331186
Authority: DE
Inventors: Franciscus Helmond Roffelsen
Original assignee: Spiro Research NV
Current assignee: Spiro Research NV
Priority date: 1983-08-30
Filing date: 1983-08-30
Publication date: 1985-03-14
Also published as: IT8448716A1; SE8404302L; GB2146111B; FR2551193B1; US4655282A; GB2146111A; FR2551193A1; IT8448716A0; AU570992B2; GB8417481D0; SE8404302D0; NL8402154A; CH666539A5; AU3182884A; JPS6073298A; CA1235114A; IT1178403B

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherrohr, bestehend aus einem Kernrohr und mit einer vorzugsweise wendelartigen Bedrahtung über die Länge des Kernrohres.

Derartige Rohre sind beispielsweise als Heizungsrohre bekannt aus dem Prospekt der Anmelderin "Spirotherm. The heating element for low water temperature". Ein zylindrisches Rohr dient hierbei als Trägerelement für Drahtwendeln aus Kupfer, die mit der Mantelfläche des Kernrohres zu einer Einheit verlötet sind und in Rohrachslängsrichtung gesehen einen kreisförmigen Querschnitt bilden. Die wirksame Oberfläche, d.h. die Fläche, die Wärme an die Umgebung abgibt, ist um ein vielfaches größer als bei herkömmlichen Radiatoren. Der Bedarf an Wasser, das durch die Kernrohre geleitet wird, ist nur sehr gering, weshalb das Heizungssystem schnell anspricht. Selbst bei lediglich kleinen Unterschieden zwischen der Temperatur der Heizeinheit und der sie umgebenden Luft wird die Luft zwischen den Kupferdrahtspiralen in Bewegung versetzt. Die aufgeheizte Luft steigt nach oben und wird durch nachströmende Luft ersetzt, die dann ihrerseits von den Drahtspiralen aufgeheizt wird. Es entsteht ein Luftmassen-Kreislauf und, da jeweils große Mengen an Luft aufgeheizt werden, stellen sich gute Heizresultate schon bei einer gegenüber der gewünschten Raumtemperatur nur unwesentlich höheren Temperatur der Luftströme ein. Eine auf den Winterbetrieb bezogene Wassertemperatur von 50 Grad Celsius ist für die Heizung ausreichend, was gleichzeitig bedeutet, daß das Heizungssystem in Verbindung mit Solarzellen oder Wärmepumpen betrieben werden kann. Die vorgenannten Ergebnisse sind durch Versuche bestätigt worden.

Aus einer Vielzahl von derart bedrahteten Rohren lassen sich Wärmetauscherbündel mit hervorragenden Eigenschaften herstellen, wobei die Rohre mit den am Umfang kreisförmigen Kupferdrahtwendeln entweder in geraden oder versetzten Reihen zueinander angeordnet werden. Im ersten Fall befinden

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sich die Längsachsen der Rohre immer übereinander und im anderen Fall sind die Längsachsen der jeweils unteren Rohrreihe gegenüber der oberen Rohrreihe um den halben Durchmesser versetzt und liegen somit genau in der von zwei Rohren gebildeten Lücke. Durch die versetzte Anordnung ergibt sich ein räumlicher Gewinn von etwa 13,5 %. Eine darüber hinausgehende Verringerung des Raumbedarfs ist mit den bekannten Wärmetauscherrohren allerdings nicht möglich.

Weiterhin ergibt sich bei Rohren mit kreisförmigem Bedrahtungsquerschnitt, daß die zu einem Wärmetauscherbündel zusammengefaßten Rohre sich im wesentlichen nur punktförmig bzw. linienförmig in den Tangentpunkten berühren, womit keine gegenseitige Abstützung erreicht werden kann. Das führt im Betrieb oftmals zu einem unangenehmen Sing- bzw. Pfeifton, hervorgerufen von Luft bzw. anderen, das Wärmetauscherbündel quer durchströmenden Medien. Zudem fangen die Heizungsrohre ab einer bestimmten Länge und bei begrenzter Strömgeschwindigkeit des aufzuheizenden oder abzukühlenden Mediums mit zunehmend hoher Frequenz des Tones an zu vibrieren. Hierbei verformen bzw. drücken sich die Rohre an ihren Berührungspunkten ein, so daß dazwischen freie Öffnungen entstehen, die ein stärkeres Schwingen zulassen, was schnell eine Kaltverformung bewirkt und in der Folge einen Rohrbruch begünstigt. Um dieser Gefahr vorzubeugen, werden die gebündelten Heizungsrohre in relativ kurzen Abständen durch Querwände abgestützt, wodurch aber die Konstruktion komplizierter wird und gleichermaßen die Kosten steigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und mit geringstmöglichem baulichen Aufwand den Platzbedarf für ein Wärmetauscherbündel weiter zu verringern.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Bedrahtung mit zumindest zwei sich gegenüberliegenden Flachbereichen gelöst, wobei nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine in Rohrachsenrichtung gesehen gleichseitige, hexagonale Querschnittsform der Bedrahtung vorgeschlagen wird.

Nach der Erfindung kann auch eine Doppelbedrahtung vorgesehen werden, die aus einer inneren Rundbedrahtung und einer außenseitigen, hexagonal profilierten Bedrahtung besteht. Eine bevorzugte Ausgestaltung nach der Erfindung sieht vor, daß eine Vielzahl der hexagonalen Heizungsrohre ein wabenförmig zusammengesetztes Wärmetauscherbündel bildet. ·

Die Erfindung weicht damit ab von dem bis dahin üblichen kreisförmigen Profil und erreicht durch die ebenen Flachbereiche sich gegenseitig unter- und abstützende Anlageflächen, womit zusätzliche Versteifungen und Stützen entfallen. Insbesondere bei einer wabenförmigen Anordnung der hexagonal profilierten Heizungsrohre zu einem Wärmetauscherbündel wird gegenüber der versetzten Anordnung kreisförmiger Rohrquerschnitte ein weiterer räumlicher Gewinn von mehr als 20 % erzielt. Im Verhältnis dieses Prozentsatzes kann die innere, von Wasser durchströmte Oberfläche vergrössert werden, ohne daß das Gesamtvolumen bzw. der Raumbedarf erhöht werden muß. Außerdem stellt sich auch ein wärmetechnischer Vorteil ein, weil die Wärme über die sich großflächig berührenden Bedrahtungs-Flachbereiche untereinander ausgetauscht werden kann. Das bewirkt eine gleichmäßigere Temperaturverteilung mit einer gleichmäßigeren Belastung der einzelnen Rohre des Wärmetauscherbündels. Weiterhin ist eine in Achsrichtung der Rohre begrenzte Beweglichkeit der Bedrahtung gewährleistet, was zu einem problemlosen dehnungsbedingten Längenausgleich beim Anheizen und Abkühlen führt. Außerdem erleichtern die Flachbereiche den Bau eines

einheitlichen Drahtblockes, der im Gegensatz zu einem Lamellenblock den großen Vorteil besitzt, daß er in jeder Richtung turbulent von dem aufzuheizenden oder abzukühlenden Medium durchströmt werden kann.

Die Erfindung schlägt weiterhin vor, daß das Wärmeaustauscherrohr als Flachkernrohr mit profilierter Bedrahtung ausgeführt wird. Hierbei werden alle Drahtwendeln bzw. -schleifen parallel und vollständig im Querstrom angeblasen. Der Widerstand ist durch das flache Kernrohr auf ein Minimum herabgesetzt.

Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, daß das Heizungsrohr mit kreisförmigem oder profiliertem Kernrohr spiralförmig nach Art einer Uhrfeder oder wendelförmig nach Art einer Zugfeder gebogen wird. Insbesondere bei haarnadelartig gebogenen Wärmetauscherrohren bietet sich der Vorteil, daß ein zusätzlicher Flüssigkeits-(Wasser-)Sammelkasten an der dem Wassereintritt gegenüberliegen Austrittsseite des Wärmetauscherbündels nicht mehr erforderlich ist, wodurch die Baukosten weiter herabgesetzt werden.

Die Flachbereiche der profilierten Heizungsrohre ermöglichen nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung, daß die in einem Wärmetauscherbündel einander anliegenden Abschnitte mit einem wärmeleitenden Metallklebestoff versehen werden können. Es können aber auch gleiche Flächenabschnitte trocken, also ohne Zwischenschicht zur Anlage aneinander gebracht werden, wobei der Verbund danach bandagiert wird. Das kann beispielsweise mit aufgezogenen Umschließungsbändern erfolgen. Die Flachbereiche der Drahtspiralen besitzen einen hohen Widerstand gegen Flächendruck, so daß die umschlingenden Bänder eine feste Versteifung gewährleisten. Zu einem festen Wärmetauscher-Block geklebte oder bandagierte Wärmetauscherrohre, wie Heizungsrohre, brauchen zum Einbau und zur Stützung keinen besonderen Tragrahmen mehr.

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Das Aufnehmen von Biegekräften und das Vermeiden von Verformungen läßt sich auch durch einen ein Wärmetauscherbündel umschließenden Rahmen sowie Zwischenblechen zwischen einander zugekehrten Flächenabschnitten erreichen. Auf einen U-förmigen Rahmen aufgesetzte Klammern wirken sich dabei unterstützend aus.

Beim Herstellen eines zylindrischen Kernrohres oder eines Flachkernrohres mit einer hexagonalen bzw. gegenüberliegende Flächenbereiche aufweisende Bedrahtung, was mittels eines schrittweisen Walzverfahrens erfolgt, werden die Drahtwendeln nicht ineinander geschoben, sondern sie liegen frei. Die Wendelsteigung, wird entsprechend dem Biegeradius so gewählt, daß die Verlötung am Wendelfuß, d.h. die Verbindung zwischen der Wendel und dem Rohr durch die Stauchung beim Biegen, d.h. auf der konkaven Seite, nicht bricht. Auf der Außenseite, d.h. auf der konvexen Seite existiert aufgrund der Zugbelastungen dasselbe Problem, denn dort wird nicht gestaucht sondern gereckt, so daß auch hierfür als Grenze der Steigung die Belastungsmöglichkeit in Abhängigkeit vom Radius gilt.

In den Zeichnungen sind nachfolgend näher beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

ein bekanntes Heizungsrohr mit kreisförmiger Außenbedrahtung;

das von einem zylindrischen Mantelrohr aufgenommene bedrahtete Rohr gemäß Fig. 1;

das Rohr gemäß Fig. 2 mit kreisförmiger Außenbedrahtung und Kopfdraht;

das Heizungsrohr mit außenseitig hexagonalem Bedrahtungs-Querschnitt nach der Erfindung;

eine abgewandelte Ausführung des Gegenstandes gemäß Fig. 4;

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Fig. 6 eine Seitenansicht des Gegenstandes gemäß Fig. 5;

Fig. 7 ein wabenförmig zusammengesetztes Rohrbündel, bestehend aus einer Vielzahl von Sechskant-Heizungsrohren;

Fig. 8 eine andere Ausführungsform der Erfindung mit einem Flachrohr und profilierter Bedrahtung;

Fig. 9 eine Seitenansicht des Gegenstandes gemäß Fig. 8;

Fig. 10 den Querschnitt eines haarnadelartig gebogenen Heizungsrohres mit einem oberen und einem unteren Flächenabschnitt ;

Fig. 11 eine Seitenansicht des Gegenstandes gemäß Fig. 10;

Fig. 12 die Seitenansicht eines haarnadelartig gebogenen Flachrohres; und

Fig. 13 einen Schnitt durch ein zu einem Heizblock zusammengedrücktes Wärmetauscherrohr gemäß Fig. 12 entlang der Linie XII-XII.

In den Fig. 1 bis 3 sind bekannte, insgesamt mit 1 bezeichnete Wärmetauscherrohre, hier Heizungsrohre, mit kreisförmiger Bedrahtung in verschiedenen Herstellungsphasen dargestellt. Gemäß Fig. 1 besteht die Bedrahtung aus einzelnen Drähten 2, die außen auf das zylindrische Kernrohr 3 aufgelötet sind und als Wendeln ihrerseits wendelförmig auf das Rohr aufgelegt sein können. Wenn nachfolgend von "Drähten" gesprochen wird, dann sind darunter insbesondere auch Drahtwendeln zu verstehen. Als Drahtmaterial eignet sich
wegen der guten Wärmeleitfähigkeit bevorzugt Kupfer. Gemäß Fig. 2 hüllt ein Mantelrohr 4 das bedrahtete Kernrohr 3 ein und gemäß Fig. 3 sind auf das Mantelrohr 4 noch einmal Drähte aufgelötet, die an ihren äußeren Enden durch einen Kopfdraht 5 miteinander verbunden und somit versteift sind. Das Befestigen der Drähte 2 kann auch erfolgen, indem die Drähte durch das Mantelrohr 4 geführt sind und in den Durchgängen verlötet werden. Der Aufbau gemäß Fig. 3 kann als Ausgangskonzeption für eine erfindungsgemäße Doppelbedrahtung angesehen werden, wie sie in Fig. 4 dargestellt wird.

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Das gemäß Fig. 4 hexagonal profilierte Heizungsrohr 1 weist eine innere Rundbedrahtung 6 auf, die ebenso wie der Gegenstand gemäß Fig. 2 von zwischen dem Mantelrohr 4 und dem Kernrohr 3 aufgelöteten Drähten gebildet wird. Außen befindet sich eine im Querschnitt hexagonale Bedrahtung 7 mit Flachbereichen 13, die am Umfang durch Kopfdrähte 8 versteift ist. Die Drähte können auch hierbei wieder einstückig ausgeführt sein und in Durchgängen des Mantelrohres 4 verlötet werden. Es ist auch möglich, über die Drahtenden ein dem gewünschten Profil entsprechendes Hüllrohr zu schieben, das in dem Beispiel gemäß Fig. 4 ein Sechskantrohr sein müßte und welches sich über die gesamte Länge des Kernrohres erstreckt.

Die Fig. 5 zeigt ein Heizungsrohr 1, bei dem die hexagonal profilierte Bedrahtung 7 ohne ein dazwischen vorgesehenes Mantelrohr unmittelbar auf das zylindrische Kernrohr 3 aufgelötet worden ist. Eine Drahtwendel 9 besteht hierbei aus offenen Wendelgängen 12 (Fig. 6). In der Ausführung mit offenen Wendelgängen 12 läßt sich das Kernrohr gut biegen. Selbstverständlich lassen sich die Wendelgänge 12 auch ineinander schieben, so daß die Flachbereiche 13 der Wendelgänge 12 einen einheitlich durchgehenden Flächenabschnitt bilden, wie das auch bei einem aufgezogenen profilierten Hüllrohr der Fall ist. Eine Vielzahl der Heizungsrohre 1. mit Sechskant-Querschnitt bilden gemäß Fig. 7 ein Wärmetauscherbündel 14, das sich raumsparend in Wabenform zusammensetzen läßt, wobei die Flachbereiche 13 der einzelnen Heizungsrohre 1 gegenseitige Abstützungs- und Anliegeflächen bieten.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 8 weist das Heizungsrohr 1 ein Flachkernrohr 15 auf, das als Trägerelement für aufgelötete Drähte 2 dient, die als eine profilierte Bedrahtung 16

in Form trapezartiger Wendelgänge 17 mit sich hieraus einstellenden großen oberen und unteren Flachbereichen 13 ausgeführt sind (Fig. 9). Ein Flachkernrohr 15 läßt sich besonders gut, z.B. schnecken- oder wendelartig, biegen und zu einem Block zusammenfassen, wobei sich insbesondere dann mehrreihige Heizblöcke 18 einfach herstellen lassen, beispielsweise gemäß Fig. 12 ein vierreihiger Block, wenn das Flachkernrohr 15 haarnadelartig gebogen wird. Es kann das Flachkernrohr 15 dann auch noch weiter zusammengebogen und -gedrückt werden, bis auf derselben Seite des Flachkernrohres liegende Flachbereiche 13 einander berühren. In dieser Lage können die Flächen miteinander verklebt werden oder es kann der gesamte Block mit aufgezogenen Umschließungsbändern bandagiert werden. Die auf die Wände des Flachkernrohres 15 des Heizblocks 18 ausgeübten, durch Pfeile 26 verdeutlichten Biegekräfte lassen sich gemäß Fig. 13 über die Drahtschleifpakete 27 bildende Bedrahtung auf zwischen einander zugekehrte Flächenabschnitte eingesetzte Zwischenbleche 28 übertragen. Das seitliche Ausdehnen fängt sodann ein den Heizblock 18 umfassender U-förmiger Rahmen 29 auf, den an beiden Seiten mit Abstand zueinander verteilt angeordnete Klammern 30 gegen ein Ausbiegen schützen. Die streifenartigen Klammern 30 sind dazu an einem Ende umgebogen und greifen mit den so gebildeten Haken über einen Flansch des U-förmigen Rahmens 29. Am entgegengesetzten Ende verbinden Schrauben die Klammern 30 mit dem Rahmen 29 und sichern die Lage des zu dem Heizblock 18 zusammengedrückten bzw. -gezogenen Flachkernrohres 15. Durch die Zwischenlage der Bleche 28 wird von einer Rohrlage zur anderen der Betriebsdruck bis auf die äußeren Wandteile des den gesamten Heizblock 18 umfassenden Rahmens 29 übertragen.

Eine Haarnadelform, die anliegende Flachbereiche 13 schafft und so zu einem geschlossenen Block 22 führt (Fig. 11), läßt sich vorteilhaft auch aus einem Heizungsrohr 1 biegen,

wie es in Fig. 10 und 11 dargestellt ist. Auf einem zylindrischen Kernrohr 3 befindet sich hierbei ein im wesentlichen zylindrisches Bedrahtungsprofil 19, welches jeweils eine obere und eine untere Abplattung des Zylinders aufweist, die die Flachbereiche 13 bilden. Haarnadelartig gebogene Heizblöcke 18, 22 reduzieren den Bauaufwand, da Wasserzulauf 23 und Wasserrücklauf 24 an ein und derselben Seite des Heizblockes 18 bzw. 22 angeordnet werden. Ein zusätzlicher Wasser-Sammelkasten an der anderen Seite des Blockes ist bei dieser Lösung nicht erforderlich.

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Claims

Drv-lng. Reimah«=RC©nig:--":—" DkpWng. Klaus Bergen Wilhelm-Tell-Str. 14 4OOO Düsseldorf 1 Telefon 39 7O 26 Patentanwälte 29. August 1983 B SPIRO Research B.V., Ie Indumaweg 6, 5700 AE Helmond/Niederlande "Heizungsrohr mit eckigem Bedrahtungsprofil" Patentansprüche:

1. Wärmetauscherrohr (1), bestehend aus einem Kernrohr (3, 15) mit einer vorzugsweise wendelartigen Bedrahtung über die Länge des Kernrohres, gekennzeichnet durch eine Bedrahtung (7, 16, 19) mit zumindest zwei sich gegenüberliegenden Flachbereichen (13).

2. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch parallele, ebene Flachbereiche (13).

3. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine in Rohrachsenrichtung gesehen gleichseitige, hexagonale Querschnittsform der Bedrahtung.

4. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Doppelbedrahtung, bestehend aus einer inneren Rundbedrahtung (6) und einer außenseitigen, hexagonal profilierten Bedrahtung (7) (Fig. 4).

5. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Bedrahtung, deren Wendelgänge ihrerseits aus in Form einer offenen Drahtwendel (9) mit vorzugsweise trapezförmigem Querschnitt bestehen (Fig. 6; 9).

6. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtspirale (9) ineinander geschobene Wendelgänge (12) aufweist .

7. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein wabenförmig zusammengesetztes Wärmetauscherbündel (14) aus einer Vielzahl der hexagonalen Heizungsrohre (1) (Fig. 7).

8. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauscherrohr (1) als Flachkernrohr (15) mit profilierter Bedrahtung (16) ausgeführt ist (Fig. 8).

9. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauscherrohr (1) spiralförmig gebogen ist.

10. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Wendelform des Wärmetauscherrohrs (1).

11. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 oder 8, gekennzeichnet durch eine Haarnadelform des Wärmetauscherrohrs (1).

12. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß einander anliegende Flächenabschnitte (13) mit einem wärmeleitenden Metallklebestoff versehen sind.

13. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenabschnitte (13) ohne Zwischenschicht gegeneinander zur Anlage gebracht und anschließend die Wärmetauscherrohre (1) bandagiert werden.

14. Wärmetauscherrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch von einem Rahmen (29) umschlossene Wärmetauscherbündel (14, 18, 22) mit einem Zwischenblech (28) zwischen einander zugekehrten Flächenabschnitten (13).

15. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen U-förmigen Rahmen (29) mit aufgesetzten Klammern (30).