DE3521378A1

DE3521378A1 - Waermetauscher in form von rippenrohren

Info

Publication number: DE3521378A1
Application number: DE19853521378
Authority: DE
Inventors: Walfried Dipl.-Ing. 5400 Koblenz Dost
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-06-14
Filing date: 1985-06-14
Publication date: 1986-12-18

Description

Betrifft: Wärmetauscher in Form von Rippenrohren
Eine wesentliche Aufgabe bei der Konstruktion von Wärmetauschern in Form von Rippenrohren besteht darin, die Verbindung Rohr/Rippen so auszubilden, dass ein moglichst guter Wärmeübergang von Rohr als Wärmeträger zu den Rippen stattfindet. Gelöst ist diese Aufgabe in den Ellen, in denen diese Verbindung durch Schweissen und Löten hergestellt werden kann.
Als Werkstoff für die Rippen eignen sich Aluminium und Kupfer wegen ihrer besonders guten Wärmeleitfähigkeit. Aus Kostengründen wird Kupfer jedoch nur in besonderen Pollen verwendet. Bleibt also unter Berücksichtigung aller Randbedingungen in erster Linie Aluminium als Werkstoff fiir die Rippen.
Hier treten die Erobleme auf: Aluminium liest sich nur mit Aluminium verschweissen. Löten scheidet wegen des aufwendigen Verfahrens und erhöhter Korresionsgefahr aus Kostengriinden aus.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine mechanische Verbindung zwischen Rohr und Rippen herzustellen, deren besondere Vorzüge einmal im hohen Wärmeübergang zum anderen im geringen Fertigungsaufwand zu suchen sind.
Bekannte Ausführungsformen zur Verbindung von Rohr und Rippen bei unterschiedlichen Werkstoffen haben entweder einen ungenügenden Wärmeübergang oder erfordern einen unverhältnismässig hohen Fertigungsaufwand.
Für die zwei im wesentlichen angewendeten Ausführungen 1.) Rippen längs zum Rohr und 2.) hippen quer zum Rohr bietet die Erfindung einige Lösungen an, die im folgenden besprochen werden.
1.) Rippen längs zum Rohr.
Das Grundprinzip der folgenden Ausführungsbeispiele --eht auf eine an sich bekannte federnde Rast zurück, als Druckknopf oder Clips bekannt.
Fig. 1 stellt eine solche Verbindung dar. Die vorgeformte Rippe (2) umfasst das Rohr (1) etwa zu 2/3 seines Umfanges durch Eigenspannung; bei einem angenommenen Aussendurchmesser des Rohres entspricht die etwa einer Lange von 20 mm. In diesem grossen Bereich liegt die Rippe (9) teilweise direkt am Rohr (1) an oder es besteht ein sehr diinner Luftspalt zwischen Rippe und Rohr in der Grössenordnung von bis zu 0,2 mm.
Eine Solche dünne Luftschicht hat praktisch keine isolierende Wirkung mehr. so dass in diesem Bereich ein guter Wärmeübergang durch Leitung und Strahlung stattfindet.
Fig. 2 zeigt die vorgeformte Rippe, die zur Verbindung mit dem Rohr einfach auf dieses gedrückt wird und dabei einrastet, so dass sie die in Fig. 3 dargestellte Form annimmt. Auf diese Weise entsteht in der Rippe eine das Rohr umfassende Spannung, de eine gute verbindung zwischen Rohr und Rippe herstellt.
Die hierbei möglichen Spannungen sind natürlich durch die Rippenstärke stark begrenzt. die üblicherweise zwischen 0,9 und 0.5 mm liegt.
Eine wesentliche Erhöhung der fir das feste Umschliessen des Rohres erforderlichen Spannung ist durch eine zusätzliche Ringfeder (,) in Fig. 5 vorgesehen. Ihr Innendurchmesser in gespanntem Zustand ist gleich dem Aussendurchmesser der Rippe.
Fig. 5 beschreibt die nach dem Prinzip der federnden hast beste Verbindung zwischen Rippe und Rohr. Mierbei ist eine Ringfeder (3) vorgesehen. deren Innendurchmesser grösser ist als der Ausendurchmesser der Rippe (2). Auf diese Weise liegt die Feder (3) nur mit ihren tragenden Kanten aui der Rippe auf und erzeugt eine starke tangentiale Spannung in der Rippe (2), die für einen guten Wärmeübergang durch enge Verbindung zwischen Rohr und Rippe sorgt. Hat die Feder pro mm Länge eine Schliesskraft von nur 40 N, so etsteht bei z.B. 500 mm Rohr- bzw. Rippenlänge eine Kraft von 20 000 N, mit der die Rippe fest um das Rohr gezogen ist.
Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Beispielen zeigt Fig. 6 eine vorgeformte Rippe. deren freie Schenkel so ausgebildet sind. dass sie nur in eine Richtung weisen. Wird sie, wie in kig. 7 dargestellt, über die Rast (3) geschlossen, entsteht eine gute. weil grossflächige Verbindung zwischen Rippe (2) und Rohr (1). Natiirlich besteht auch hier die Möglichkeit, zusätzlich eine Ringfeder nach Fig. 4 oder 5 anzuordnen.
In Fig. 8 ist die Rippe (2) nicht einstückig sondern zweiteilig ausgeführt, wie an dem Freiraum (4) erkennbar ist. Natürlich ist hier nur eine Ringfeder nach ie. 4 vorgesehen.
Sollen an einem Rohr (1) zwei Lamellen (2) befestigt erden ist das Rohr erfindungsgemäß etwa so geformt wie ig. 9 zeigt. die Rippen sind dabei ähnlich vorgeformt wie in den schon aufgezeigten Beispielen, so dass mit der Ringfeder (3) prinzipiell die gleiche Verbindung zwischen Rohr (1) und Lamellen (?) hergestellt ist, wie sie kig. 4 und 5 zeigen.
Am Beispiel Fig. 9 ist ausserdem die Formgebung der Rippen (2) im Bereich (d) dargestellt, die fiir alle Wärmetauscher vorgesehen ist, bei denen Rippen an zwei und mehr Rohren befestigt sind.
Mit dieser oder einer ähnlichen Formgebung im Bereich (4) ist eine Mbglichkeit geschaffen, mit deren Hilfe fertigungsbedingte Toleranzen und thermisch verursachte Längenänderungen in den Rippen aufgenommen werden können und somit keine negativen huswirkungen auf die Spannungen innerhalb der federnden Rasten möglich sind.
2.Y Rippen quer zum Rohr.
Nach dem Stand der Technik werden Rippen quer zu Rohr so geformt, wie dies in Fig. 10 vergrössert dargestellt ist. Die Rippe (2) mit ihrem Bund (3) umschliesst das Rohr (1). Dieser Bund dient einmal der Vergrösserung der Berührungsfläche zwischen Rohr und Rippe, zum anderen fixiert er den Abstand zwischen je zwei Rippen. Üblich sind Blechstärken von 0;- mm für die Rippen. Der Bund (3) wird durch den Ziehvorgang etwas geschwächt. hat also noch etwa 0,2 mm Stärke. Zum festen Sitz der Rippen auf dem Rohr wird das Rohr seit einiger Zeit hydraulisch aufgeweitet.
Eine feste Verbindung mit gutem Wärmeübergang von Rohr zu Rippe ist bei dieser konstruktiven Ausbildung nicht zu erwarten, da der relativ schwache Bund nfolge seiner geringen Belaatbarkei beim Aufweiten des Rohres plastisch nachgibt.
Nach der Erfindung soll auch diese Verbindung mit dem Ziel eines wesentlich besseren Wärmeüberganges verbessert werden.
Fig. 11 beschreibt folgende Ausführungsform: Die Rippen (2) sind in Form und GrsFse des Rohrdurchmessers (1) gelocht. Zwischen den Rippen sind Ringe (3) angeordnet, deren Werkstoff eine wesentlich höhere Festigkeit aufweist als der der Rippen. Als Abschluss ist an beiden Enden des Rippenpaketes je ein grösserer Ring (d) vorgesehen, der ebenfalls aus einem : erkstoff höherer Festigkeit gefertigt ist. Zur Fertigmontage wird das gesamte Rippenpaket achsial zusammengedrückt und gleichzeitig das Rohr aufgeweitet. Werden Werkstoffe und Abmasse annähernd nach Fig. 11 eingehalten.
entstehen Zuspannungen von mehr als 1 000 N in den Ringen, die au, diese Weise für eine feste Umfassung des Rohres durch die Rippe sorgen und damit einen hohen Wärmeübergang sicherstellen.
In Fig. 12 ist eine weitere Möglichkeit für die Verbindung zwischen Rohr und Rippe dargestellt.
Zwischen den gelochten Rippen (.2) sind Ringe (3) auf das Rohr (1) geschoben. Die Breite der Ringe (3) ist dabei grösser gewählt als der endgültige Abstand zwischen je zwei Rippen (2). Die vorgesehene Festigkeit der RInge ist kleiner als die der Rippen. Wird ein solches Rippenpaket in einem geeigneten Werkzeug achsial auf den vorgegebenen Abstand zwischen je zwei Rippen zusammengedrückt. sind dadurch die Ringe (3) so verformt wie in Fig. 12b dargestellt ist. Unter dem Einfluss der horizontalen Verdichtung entsteht eine vertikale Ausdehnung des Ringes, die nach innen zu einer festen Verbindung mit dem Rohr führt. das übrige Material fliesst radial nach aussen.
Selbstverständlich sind auch hierbei Endringe (4) gemaß Fig. 11 vorgesehen.
Die Ausführungsform gemäß 13a und 13b benötigt keine zusätzlichen Teile. Die Rippen (2) sind hierbei mit einem Rund (3) versehen. an dem zwei unterschiedliche Durchmesser angeordnet sind. Wie weiterhin aus Fig. 13b ersichtlich ist. ist nur im Bereich von d3 eine Verbindung zwischen hohr und Rippe vorgesehen. Die Rippen (2) sind auf dem Rohr (1) koachsial ineinander gedrückt. Beim Aufweiten des Rohres (1) vergrössert sich der Innendurchmesser d3 und mit ihm der Aussendurchmesser dl. Pur diesen Vorgang ist der Innendurchmesser d2 vorgesehen, der eine Vergrösserung von dl und damit auch d3 begrenzt und somit die Verbindung von d3 mit dem Rohr verstärkt.
Fig. 14 zeigt ein letztes Beispiel für eine erfindungsgemässe Ausbildung der Verbindung Rohr/Rippe.
Die hippen (9) sind nach dem Stand der Technik mit einem Bund versehen. dessen Innendurchmesser gleich dem Aussendurchmesser des Rohres (1) ist. auf dem Bund sind Ringe (3) angeordnet. Gemäss der Erfindung ist für Rohr (1) und Rippen (2) ein Werkstoff geringerer.
für die Ringe (3) ein solcher hoher Festigkeit vorgesehen.
Ahnlich wie in kig. 11 treten bei dieser Ausführung tangentiale Spannungen von mehr als 1 000 N in den Ringen auf, wenn das Rohr aufgeweitet wird. Auch auf diese Weise ist eine sehr feste Verbindung zwischen Rohr und Rippe erreicht und damit ein guter Wärmeübergang sichergestellt.
- L e e r s e i t e -

Claims

A n s p r ü c h e 1.) Wärmetauscher in Eorm von Rippen- (oder Lameilen-) Rohren mit längs zu den Rohren angeordneten Rippen und mechanischer Verbindung zwischen Rohr und Rippen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung von Rohr und Rippen eine an sich bekannte feaernde Rast vorgesehen ist. (ig. 1-9) 2.) Wärmetauscher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die fiir die Rast erforderliche Spannung nach entsprechender Vorformung der Rippen beim Schliessen der Rast durch die Rippen selbst erzeugt ist. (Fig.

1-3, 6 und 7).

3.) Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet. dass die zum Schliessen der Rast erfcrder liche Spannung zusätzlich durch hinafedern (3 Fig. 4 und 5) verstarkt ist, deren Innendurchmesser in gespanntem Zustand entweder gleich dem Aussendurchmesser der Rippen ist (3 Fig. 4) oder grösser als dieser (3 Fig. 5).

4.) Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2 dadurch sekennzeichnet. dass die Rippen etwa nach Pig. 6 vorgeformt sind.

)) hermetauscher nach Anspruch 1. 2 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die nach Fig. 6 vorgeformte Rippe gemäss Fig. 7 zur federnden Rast geschlossen ist.

6.) Wärmetauscher nach Anspruch 1, 4 und 5 dadurch gekennzeichnet. dass auch bei Ausführung gemäß Fig. 7 zusätzlich Ringfedern (3) gemäß Fig. 4 oder 5 angeordnet sind.

7.) Wärmetauscher nach Anspruch 1 - 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (2) gemäß Fig. 9 im Bereich (4) etwa der dargestellten Form entsprechend ausgebildet sind. wodurch fertigungsbedingte Toleranzen und tnermisch verursachte Lengenänderungen der Rippen ohne Finfluss auf die Qpannungen in den federnden Rasten sind.

8.) Wärmetauscher in Form von Rippenrohren mit quer zu den Rohren angeordneten Rippen und mechanischer Verbindung zwischen Rohr und hippen dadurch gekennzeichnet, dass gemäß Fig. 11 zwischen den hippen (2) Ringe (3) angeordnet sind.

9.) Wärmetauscher nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff fiir die Ringe von grösserer Festigkeit ist als der der Rippen.

10.) Wärmetauscher nach anspruch 8 und 9 dadurch gekennzeichnet. dass bei der Endmontage des gesamten Rippenpaketes dieses gleichzeitig mit dem Aufweiten des Rohres achsial zusammengedrückt ist.

11). Wärmetauscher nach Anspruch 8 - 10 dadurch gekennzeichnet. dass gemäß Fig. 11 2 grössere Endringe (d) hoher Festigkeit zur Stabilisierung des gesamten Rippenpaketes angeordnet sind.

12.) Wärmetauscher nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet. dass gemäß Fig. 12a Ringe (3) aus weicherem Werkstoff als der der Rippen angeordnet sind.

13.) Wärmetauscher nach Anspruch 8 und 12 dadurch gekennzeichnet. dass die Breite dieser Ringe (3) grösser ist dls der vorgesehene hippenahstand.

14.) Wärmetauscher nach Anspruch 8. 12 und 13 dadurch gekennzeichnet, dass bei der Endmontage durch achsialen Druck auf das Rippenpaket eine Verformung der Ringe bis zum vorgegebenen Rippenabstand vorgesehen ist.

15.) Wärmetauscher nach Anspruch 8. 12 - 14 dadurch gekennzeichnet. dass auch hier wie in Eig. 11 Endringe (4) angeordnet sind.

16.) Wärmetauscher in Form von Rippenrohren mit quer zu den Rohren angeordneten Rippen. bei denen zur Verbindung mit den Rohren ein Bund angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet. dass auf dem Bund der Rippen aufgesteckte Ringe (3) vorgesehen sind.

(Fig. 14) 17.) Wärmetauscher nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Ringe gleich dem vorgegebenen Rippenabstand ist. (Fig. 14) 18.) Wärmetauscher nach Anspruch 16 und 17 dadurch zekennzeichnet. dass diese Ringe (3) aus hochfestem Werkstoff gefertigt sind, die beim aufweiten des Rohres grosse Flächenpressungen zwischen Rohr und Rippen erlauben. die einen hohen Wärmeübergang sicherstellen.

19.) Warmetauscher nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet. dass am Bund (3) fiir die Endmontage erforderliche Durchmesser dl. d2 und d3 vorgesehen sind. wobei der Innendurohmesser d3 gleich dem Rohraussendurchmesser ist und d1. der zu d3 gehörende Aussendurchmesser gleich dem Innendurchmesser d2 ist. (F ig. 13 a) 20.) Wärmetauscher nach anspruch 16 und 19 dadurch gekennzeichnet. dass die Rippen (2) gemäß Fig. 13d auf dem Rohr (1) koachsial ineinander geschoben sInd. (Fig. 13 b) 21.) Warmetauscher nach Anspruch 19 und 20 dadurch gekennzeichnet. dass die Rippen nur im Bereich von d3 mit dem Rohr verbunden sind.

22.) Wärmetauscher nach Anspruch 19 - 21 dadurch gekennzeichnet, dass bei erfindungsgemässer Bemessung der Durchmesser dl. d2 und d3 beim Aufweiten des Rohres eine Vergrösserung von d3 und damit auch von dl durch d2 begrenzt und dadurch eine feste Verbindung zwischen dem Rohr (1) und den Rippen (2) sIchergestellt ist.