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Turbulenzeinbau für Ovalrohre eines Wärmetauschers und
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Verfahren zur Herstellung der Turbulenzeinbauten Die Erfindung bezieht
sich auf Turbulenzeinbauten für Rohre mit elliptischem oder ovalem Querschnitt eines
Wärmetauschers, insbesondere für Rohre, die innen von einer Flüssigkeit, insbesondere
Wasser, durchströmt und außen von einem Gas, insbesondere Luft oder heißem Abgas,
beaufschlagt sind. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung
der vorgenannten Turbulenzeinbauten.
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Derartige Turbulenzeinbauten sind bekannt, z. B. durch die DE-OS 33
21 456. Diese vorbekannten Turbulenzeinbauten sind zwar als Turbulenzerzeuger für
die die Rohre durchströmende Flüssigkeit nicht ungeeignet, sie weisen jedoch den
Nachteil eines relativ hohen Druckabfalles für die Flüssigkeit auf, da sie den Strömungsquerschnitt
der Rohre nicht unerheblich reduzieren - sie wirken somit als Widerstandskörper.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Turbulenzeinbauten
der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits eine hinreichende Turbulenz
erzeugen und damit eine verbesserte Wärmeübertragung an der Innenseite des Rohres
bewirken sowie andererseits einen möglichst niedrigen Druckabfall für das die Rohre
durchströmende Medium verursachen. Ferner sollen Siedegeräusche im Wasserweg vermieden
werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Turbulenzeinbau
als Wendel ausgebildet ist#' deren Ränder an der Innenwand der Rohre anliegen. Der
Vorteil dieses wendelförmigen Turbulenzeinbaus besteht darin, daß einerseits die
Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Rohr infolge Verlängerung des Weges und
damit auch die Turbulenz erhöht und andererseits der Druckabfall für das Medium
reduziert wird, da die-Wéndel den Strömungsquerschnitt des Rohres nur unwesentlich
vermindert.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
2 wird die Wendel durch Verformen eines ebenen Streifens hergestellt, dessen Ränder
einen wellenförmigen Verlauf aufweisen.
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Durch diesen wellenförmigen Zuschnitt des ebenen Streifens erhält
man nach dem Verformen eine Wendel, die den elliptischen oder ovalen Querschnitt
der Rohre vollständig ausfüllt, die also mit ihrem Umfang allseits an der Innenwand
des Rohres anliegt. Hierdurch wird der gesamten Strömung im Rohr ein wendelförmiger
Verlauf aufgezwungen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 besteht
die Wendel aus einem metallischen Bandmaterial, dessen Vorteil darin besteht, daß
einerseits ein sauberer wellenförmiger Zuschnitt und andererseits ein anschlie:ßendes
Verformen des Bandes - mit plastischer Verformung - möglich ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbi#ld'ung gemäß Anspruch 4 weist
die Wendel im Bereich ihrer Längsachse eine Verstärkung, z. B. in Form einer Materialverdickung
oder auch in Form einer Sicke auf. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die Wendel
nach dem Verformen besonders gut "steht", d. h., daß ihre Längsachse geradlinig
verläuft, wodurch diese Wendel besonders gut für eine automatische Montage geeignet
ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß
Anspruch 5 können die beiden wellenförmigen Ränder durch Parallelverschiebung zur
Deckung gebracht werden, d. h. die Wellenberge und Wellentäler haben einen kongruenten
Verlauf. Hieraus ergibt sich der fertigungstechnische Vorteil, daß beim Zuschnitt
der einzelnen Streifen sich ein Streifen lückenlos an den benachbarten anschließt,
so daß keinerlei Abfall anfällt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 besteht
die Wendel aus Kunststoff, wodurch sich eine Kostenersparnis ergibt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung gemäß Anspruch 7 weist
die Wendel sowohl eine linksgängige als auch eine rechtsgängige Steigung auf - dadurch
ergibt sich eine erhöhte Turbulenz und damit ein verbesserter Wärmeübergang auf
der Innenwand des Rohres.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß
Anspruch 8 können die Ränder des Blechstreifens bzw. der Wendel mit der Innenwand
des Rohres verbunden sein, z. B. durch Löten oder Schweißen. Damit wird das Rohr
in vorteilhafter Weise versteift und eignet sich besonders für den Einbau in Gas/Wasser-Heizer.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen Verfahren zur Herstellung
der vorgenannten Turbulenzeinbauten.
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Gemäß Anspruch 9 bestehen die grundsätzlichen Verfahrensschritte darin,
daß zunächst ein ebenes Band mit einem wellenförmigen Randverlauf hergestellt und
daß dieses "gewellte" Band anschließend zu einer Wendel verformt wird.
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Gemäß Anspruch 10 erfolgt diese Verformung in einer Düse mit einem
Verdrillkanal. Vorteilhaft bei diesem Verfahren ist einerseits die kontinuierliche
Wendelherstellung und andererseits ein sauberer wendelförmiger Verlauf des verdrillten
Bandes, so daß sich auch ein minimaler Druckabfall für das Strömungsmedium ergibt.
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Gemäß Anspruch 11 kann die Wendel auch durch Prägen mit einer Vielzahl
von Stempeln hergestellt werden, wobei dieses Verfahren nicht kontinuierlich, sondern
taktweise arbeitet. Ein Vorteil besteht darin, daß man durch verschiedene Ausbildung
oder Anordnung der einzelnen Stempel nebeneinander sowohl eine linksgängige als
auch eine rechtsgängige Steigung für die Wendel erzeugen kann.
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Gemäß Anspruch 12 kann das zugeschnittene Band in einem kontinuierlichen
Verfahren durch Umformwalzen zu einer Wendel verformt werden, wobei eine Synchronisation
des zugeschnittenen Bandes mittels eines Paares von Korrekturwalzen erfolgt.
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Gemäß Anspruch 13 kann der Zuschnitt des Bandes derart kontinuierlich
erfolgen, daß der wellenförmige Verlauf der Ränder mit Schneidwalzen erzeugt wird.
Durch Parallelschaltung von mehreren Schneidwalzen können gleichzeitig mehrere gewellte
Bänder aus einem gemeinsamen Ausgangsband hergestellt werden, die dann verschiedenen
Stationen zur weiteren Umformung in eine Wendel zugeführt werden.
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Gemäß Anspruch 14 kann eine Wendel aus Kunststoff vorteilhaft dadurch
hergestellt werden, daß zunächst ein ebener Kunststoffstreifen mit einem gewellten
Randverlauf extrudiert wird. Der gewellte Randverlauf wird dabei durch eine spezielle
Extruderdüse mit variabler Breite erzeugt. Anschließend kann der ebene, "gewelle
Kunststoffstreifen zu einer Wendel umgeformt, z. B. verdrillt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 das wellenförmig zugeschnittene ebene Band mit einem
Schnitt I-I, Fig. 2 die Wendel von ihrer Schmalseite mit einem Schnitt II-II, Fig.
3 die Wendel von ihrer Breitseite mit einem Schnitt III-III, Fig. 4 eine weitere
Querschnittsform des Bandmaterials, Fig. 5 eine Vorrichtung zur Herstellung einer
Wendel durch Verdrillen, Fig. 6 eine Vorrichtung zur Herstellung der Wendel durch
Walzen, Fig. 7 eine Vorrichtung zur Herstellung der Wendel durch Prägen, Fig. 8
eine Extrusionsdüse für die Herstellung eines Kunststoffstreifens variabler Breite,
Fig. 9 einen schematischen Querschnitt durch das Wärmetauscherrohr eines Wärmetauschers,
Fig. 10 zeigt einen Längsschnitt durch das Wärmetauscherrohr, das normalerweise
waagerecht angeordnet ist, Fig. 11 stellt den Zuschnitt des die Wendel verkörpernden
Blechstreifens dar, und Fig. 12 zeigen das Wärmetauscherrohr bzw. den Blechstrei--
14 fen in einer um ein Viertel der Ganghöhe versetzten Stellung.
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Figur 1 zeigt das ebene, bereits zugeschnittene Band 1, welches gemäß
Schnitt I-I einen rechteckigen Querschnitt mit der Banddicke s und der variierenden
Breite zwischen A und B aufweist.
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Die Breite des Bandes 1 variiert periodisch auf die Länge H/4 zwischen
einem Minimum B und einem Maximum A, so daß sich beiderseits und symmetrisch zur
Längsachse 4 des Bandes 1 jeweils ein wellenförmiger Verlauf der Ränder 2 und 3
des Bandes ergibt.
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Neben dem Band 1 ist durch eine gestrichelte Linie der Rand 2' eines
weiteren Bandes 1' dargestellt, so daß also der Rand 2 des ersten Bandes 1 gleichzeitig
den Rand des weiteren Bandes 1' bildet. Durch diesen deckungsgleichen Verlauf der
Ränder 2 und 3 ist ein Zuschnitt der Bänder ohne Abfall möglich.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen eine Wendel 5, die durch Verdrillen des
ebenen und "gewellten" Bandes 1 gemäß Figur 1 um dessen Längsachse 4 erzeugt wurde.
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Figur 2 zeigt die Wendel 5 mit Blickrichtung auf deren Schmalseite
und Figur 3 mit Blickrichtung auf deren Breitseite. Die Wendel 5 ist in ein Rohr
mit einem elliptischen Querschnitt eingesetzt, wobei das Rohr 8 nur durch gestrichelte
Linien dargestellt ist.
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Die Verdrillung des ebenen Bandes 1 erfolgt in der Weise, daß in Richtung
der Längsachse 4 aufeinanderfolgende maximale und minimale Breiten A und B jeweils
um 1800 gegeneinander verdreht sind, d. h. auf die Länge H/2, was einer halben Steigung
h/2 der Wendel 5 entspricht. Die wellenförmigen, ebenen Ränder 2 und 3 entsprechen
also den räumlich verlaufenden Rändern 6 und 7 der Wendel 5, die allseits an der
Innenwand 9 des Rohres anliegen. Die minimale Breite B des ebenen Streifens 1 entspricht
somit der kleinen Halbachse b der Ellipse des Querschnittes des Rohres 8, während
die maximale Breite A des ebenen Streifens 1 der großen Halbachse a der Ellipse
des Querschnittes des Rohres 8 entspricht.
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Figur 4 zeigt einen weiteren Querschnitt 10 für das Bandmaterial gemäß
Figur 1, wobei dieser Bandquerschnitt 10 im Bereich der Längsachse eine Verdickung
11 aufweist, die als Verstärkung im Bereich der Drillachse dient. Diese Verstärkung
kann auch in Form einer einfachen oder S-förmigen Sicke (keine Materialanhäufung)
ausgebildet sein. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine besonders richtungsstabile
Wendel, die somit in bezug auf ihre Längsachse 4 eine erhöhte Steifigkeit erhält
und daher für eine automatische Montage besonders geeignet ist.
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Figur 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die die Herstellung der
Wendel 5 durch Verdrillen ermöglicht. Das bereits wellenförmig zugeschnittene Band
1 wird dabei einer Vorrichtung 12 zugeführt, die aus einem Paar von Transportwalzen
13 und 14 sowie beiderseits angeordneter zungenförmiger Führungsstücke 15, 16 besteht.
Das Band 1 wird dabei an seiner Ober- und Unterseite von den Transportwalzen erfaßt
und einer Düse 17 zum Verdrillen zugeführt. Die Düse 17 weist in ihrem Inneren einen
- nur gestrichelt angedeuteten - Verdrillkanal auf, dessen Ein- und Austrittsquerschnitt
in dem Schnitt A-A und in der Ansicht in Richtung X gezeigt ist. Die Eintrittsebene
der Düse 17 ist mit 17' und die Austrittsebene mit 1711 bezeichnet, wobei das Band
1 mit der Breite A bei einem Winkel von 0° (z. B. zur Horizontalen) in die Düse
17 eintritt und diese mit einem Verdrehwinkel von 1800 wieder verläßt. Die Düse
17 hat somit einen halben Gewindegang von der Länge H/2 - das entspricht einer halben
Steigung der fertigen Wendel 5. Im übrigen sind derartige Düsen zum Verdrillen von
ebenen Bändern bekannt, z. B. durch die DE-OS 24 21 550, allerdings nur zum Herstellen
von wendelförmigen Turbulenzeinlagen für Rohre mit kreisförmigem Querschnitt, d.
h. zum Verdrillen von Bändern mit konstanter Breite.
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Figur 6 zeigt ein kontinuierliches Verfahren zum Herstellen einer
Wendel durch Walzen. Dabei wird von einem Bandwickel 18 glattes Band 19 abgewickelt
und einem Paar von Schneidwalzen 20, 21 zugeführt, die den wellenförmigen Zuschnitt
bzw. ein gewelltes Band 22 erzeugen. Ein Paar von Transportwalzen 23, 24 bewirkt
den Vorschub des gewellten Bandes 22 und führt dieses einem Paar von sogenannten
Korrekturwalzen 25, 26 zu, die jeweils mit ihrem Umfang wie eine Verzahnung in die
wellenförmigen Ränder des Bandes 22 eingreifen. Über Führungsstücke 27, 28 wird
das gewellte Band 22 dann einem Paar von Umformwalzen 29, 30 zugeführt, die auf
ihrem Umfang dem Verlauf der fertigen Wendel entsprechende Umformabschnitte 29'
aufweisen, und durch Walzen zu einer Wendel 31 umgeformt. Die Korrekturwalzen 25,
26 gewährleisten die exakte Zuführung des zugeschnittenen Bandes 22 zu den Umformwalzen
29, 30.
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Figur 7 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung der Wendel durch Prägen.
Das zugeschnittene Band 32 wird dabei zwischen sogenannten oberen und unteren Bandhaltern
33, 34 eingespannt, die jeweils in Abständen von H/2 und im Bereich der minimalen
Breiten des zugeschnittenen Bandes 32 angeordnet sind. Durch obere und untere Stempel
35, 36, die nach unten bzw. oben bewegt werden, wird das ebene Band 32 in der Weise
zu einer Wendel 37 verformt, indem die nach außen stehenden Wellenberge 32', 32''
nach unten bzw. oben verformt werden. Durch entsprechende Ausbildung und Anordnung
der Stempel 35, 36 kann für die fertige Wendel 37 abwechselnd eine links- und rechtsgängige
Steigung hergestellt werden.
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Figur 8 zeigt eine Extrusionsdüse 38 zur Herstellung einer Kunststoffwendel.
Die Düse 38 ist dabei für eine an sich bekannte, hier nicht dargestellte Extrusionsmaschine
vorgesehen und besteht aus einem Düsenkörper 40, der einen rechteckigen Kanalquerschnitt
39 aufweist, durch den das Kunststoffmaterial extrudiert wird und somit eine Form
erhält. Während die Höhe des Kanalquerschnittes 39 konstant bleibt, ist die Breite
des Kanalquerschnittes 39 variabel, und zwar infolge der beweglich angeordneten
Gleitstücke 41 und 42, die eine periodische Variation der Breite zwischen den
Größen
A und B erlauben. Durch eine entsprechende Steuerung der Fließgeschwindigkeit des
Kunststoffes durch den Kanalquerschnitt 39 und der Gleitstücke 41 und 42 quer zur
Fließrichtung kann ein ebener Kunststoffstreifen 43 mit wellenförmigen Rändern 44,
45 erzeugt werden. Dieser wellenförmige extrudierte Kunststoffstreifen 43 kann anschließend
durch geeignete Verfahren zu einer Wendel verformt, z. B. mittels einer Düse verdrillt
werden. Somit ist der wellenförmige Verlauf des ebenen Streifens auch für das Material
Kunststoff anwendbar.
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Der Wärmetauscher gemäß den Figuren 9, 10 und 12, 13 besteht aus einem
gewendelten (verdrillten) Blechstreifen 101 und einem die-Sen Blechstreifen 101
formgetreu aufnehmenden elliptischen Wärmetauscherrohr 102, das mit Lamellen 105
versehen ist.
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Der elliptische Umriß der aus dem Blechstreifen 101 gedrehten Wendel
ist konform mit dem Wärmetauscherrohr 102 gestaltet.
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Der Blechstreifen 101 ist um seine Mittelachse 103 verwunden und seine
Breite variiert, wie Figuren 11 und 14 zeigen, stetig zwischen den der längeren
Ellipsenachse a und der kürzeren Ellipsenachse b entsprechenden Maßen x bzw. y.
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Die beiden Ränder 104 des Blechstreifens 101 liegen satt an der Innenwandung
des Wärmetauscherrohres 102 an und können gewünschtenfalls zur weiteren Erhöhung
der Steifigkeit des Wärmetauschers mit der Innenwand des Wärmetauscherrohres 102
fest verbunden sein, z. B. verlötet oder verschweißt.
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Die Beheizung des mit der längeren Ellipsenachse a stehend anzuordnenden,
ein beliebiges Heizmedium führenden Wärmetauscherrohres 102, erfolgt beispielsweise
über einen nicht dargestellten Brenner von unten her, wobei die hohen Flanken des
Wärmetauscherrohres 102 vorteilhaft von den aufsteigenden Verbrennungsgasen umspült
und unter wirtschaftlicher Ausnutzung deren Hitze erwärmt werden. Die Wendel 101
sorgt dabei für eine den Wärmetausch begünstigende Rotation des das Wärmetauscherrohr
durchströmenden Mediums.
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Ein Wärmetauscher besteht aus etwa drei bis sechs parallel zueinander
in einer Ebene waagerecht angeordneten Wärmetauscherrohren 102 und ist in ein Gehäuse
eines Gaswasserheizers eingebaut, um kaltes Wasser im Durchlauf, ohne Siedegeräusche
zu erzeugen, zu erwärmen.
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Die elliptische, längliche Gestaltung der Wendel und des sie aufnehmenden
Wärmetauscherrohres erzielt den Vorteil, daß das im Wärmetauscherrohr strömende
Medium mit einer außerhalb des Wärmetauscherrohres befindlichen Wärmequelle, z.
B. von der Hitze eines unterhalb der Wendel angeordneten Brenners, in guten und
wirksamen Kontakt gebracht werden kann, indem das strömende Medium über die Längsseiten
des Wärmetauscherrohres zwangsweise von oben nach unten bzw. von links nach rechts
geführt wird. Hierbei geht eine Verminderung etwaiger Siedegeräusche bei Anwendung
bei einem abgasbeheizten Durchlauferhitzer Hand in Hand.
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Davon abgesehen, hat der erfindungsgemäße Wärmetauscher den bereits
erwähnten Vorteil, daß er besonders materialsparend und leichtgewichtig sowie preiswert,
aber dennoch sehr steif und formbeständig angefertigt werden kann.