DE69020876T2 - Wärmetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung befaßt sich mit Wärmeaustauschern der Bauart, welche Rohre oder Rohrleitungen umfaßt, welche schraubenlinienförmig angeordnet sind und zwischen zwei Rohrplatten verlaufen, wobei ein Fiuid im Inneren der Rohre und ein weiteres außerhalb der Rohre strömt. Das Rohrpaket bzw. das Rohrbündel oder der Wärmeaustauscherkern ist von einem Mantel umgeben.
• Die schraubenlinienförmigen oder spiralförmigen Anordnungen, die beispielsweise in den US-Patenten 1,655,086 und 2,081,043 und EP-A-0 342 959 gezeigt sind, verleihen den Kernrohren ein Federungsvermögen und vermindern die durch Wärme verursachten Spannungen zwischen dem Kern und dem Mantel. Jedoch nehmen diese Wärmeaustauscher viel Platz in Anspruch.
• Die Erfindung zielt darauf ab, einen Wärmeaustauscher mit einer winkelmäßigen Progression für die Rohre zwischen den Rohrplatten bereitzustellen, welche eine effektive Raumnutzung gestattet. Nach der Erfindung wird dies dadurch erzielt, daß die Rohre in konzentrischen Kreisen angeordnet sind, wobei die Rohre benachbarter Kreise miteinander in Berührung stehen und die Rohre in Längsrichtung gewellt sind. Vorzugsweise sind sie in dieser Form über ihre gesamte Länge hinweg ausgelegt, jedoch wenigstens im Hinblick auf ihre Enden. Hierdurch wird das Strömen auf der Außenseite der Rohre derart verbessert, daß sie in jedem Ring sehr eng benachbart zueinander angeordnet werden können, so daß man einen Wärmeaustauscher mit sehr günstigem Raum-Leistungs- Verhältnis erhält.
• Die Wellungen verstärken auch die Turbulenz in und außerhalb der Rohre und verbessern den Wärmeübergang.
• Die Wärmeaustauscher mit den schraubenlinienförmigen Rohren, welche sich zwischen Rohrplatten erstrecken, sind jedoch auch aufgrund der großen Anzahl von Herstellungsschritten und dem großen manuellen Arbeitsaufwand für jeden Wärmeaustauscher teuer herzustellen, wobei es beispielsweise erforderlich ist, Distanzelemente anzubringen. Der Wärmeaustauscher nach der Erfindung jedoch läßt sich einfach herstellen, da keine Distanzelemente benötigt werden, wenn die Rohre in den unterschiedlichen Ringen sich gegenseitig abstützen.
• Vorzugsweise wird der Wärmeaustauscher nach der Erfindung dadurch hergestellt, daß gerade Rohre ring- oder zylinderförmig angeordnet werden und dann wieder vollständige Zylinder oder Ringe von Rohren bei einer gleichzeitigen Bewegung gewunden werden. Vorzugsweise umfaßt der Wärmeaustauscher mehrere konzentrische Ringe von Rohren, welche in der gleichen Richtung oder in unterschiedlichen Richtungen gewunden werden können. Vorzugsweise wird jeder Ring gesondert beginnend mit dem innersten Ring bzw. Kreis gewunden. Um Rohre mit übereinstimmender Länge und somit mit übereinstimmendem inneren Strömungswiderstand zu haben, haben die inneren Rohrkreise eine größere Progression oder einen größeren Windungswinkel als die äußeren. Wenn die Ringe von Rohren bogenförmig gewunden werden, ist die Tendenz vorhanden, daß der Durchmesser der Rohrkreise kleiner wird, und daß man somit einen guten Reibungswiderstand für den inneren Kreis auf einem mittigen Kernrohr und für die äußeren Kreise auf dem inneren erhält. Auf diese Weise kann eine sehr kompakte Anordnung von Rohren in dem Wärmeaustauscher auf einfache Weise erzielt werden, und es sollte auch noch erwähnt werden, daß diese Anordnung selbsttätig beibehalten wird, wenn diese von der Maschine abgenommen wird, welche die Rohrkreise windet.
• Wenn die Rohranordnung oder der Kern hergestellt worden ist, werden die Enden des Bündels maschinell auf die gewünschte Form (üblicherweise eben) bearbeitet. Die Rohre werden dann an ihren Enden aufgeweitet, so daß kein Raum zwischen diesen vorhanden ist, und die Rohre können dann miteinander verschweißt oder verlötet werden, so daß man eine Rohrplatte erhält. Das Aufweiten und das Verlöten können ringweise oder gleichzeitig oder in einer engen Zeitabfolge erfolgen.
• Bei der Herstellung können die Rohre in zwei Ringen mit axial weisenden Bolzen angeordnet werden, wobei jeder Rohrring sich in einer Windung befindet, und wenn das jeweilige Rohr in einem Ring sich an Ort und Stelle befindet, wird es gewunden und es wird ihm die gewünschte winkelmäßige Progression zu dem Zeitpunkt verliehen, wenn die Länge in entsprechender Weise vermindert wird, und dann wird der nächste kreisförmige Satz von Bolzen eingesetzt, um die nächste Lage und so weiter zu bearbeiten. Die Anordnung der Rohre kann von Hand oder einfach mittels eines Roboters erfolgen. Die Anforderungen an die Präzision bei der Herstellung werden im Vergleich zu üblichen Auslegungsformen herabgesetzt, und die Erfindung gestattet somit eine kostengünstige Herstellung eines Wärmeaustauscher mit effizientem Raum-Leistungs-Verhältnis.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin gilt:
• Fig. 1 zeigt schematisch einen Wärmeaustauscher nach der Erfindung,
• Fig. 2 zeigt das Rohrplattenende eines Rohrbündels,
• Fig. 3 zeigt schematisch ein Schaltschema von Wärmeaustauschern nach der Erfindung, welche bei einer Vorrichtung mit einem städtischen Heizungssystem eingesetzt werden,
• Fig. 4 und 5 zeigen die kompakte Auslegung der Vorrichtung, und
• Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Rohrs, bestimmungsgemäß angewandt bei der Erfindung.
• Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Wärmeaustauscher umfaßt zwei konzentrische Kreise von gewellten Rohren, wobei die inneren Rohre mit 1 und die äußeren mit 2 bezeichnet sind. Die Rohre 1 und 2 sind an ihren Enden aufgeweitet, wie dies für einige Rohre 1¹ und 2¹ mit gebrochenen Linien gezeigt ist, so daß sie einander berühren, und sie sind miteinander verlötet, um eine Rohrplatte zu bilden. An jedem Ende des Wärmeaustauschers ist eine Verteiler/Sammel-Verbindung 5 über zwei Platten 4 angeordnet, welche das in die Rohre einzuleitende und von diesen auszuleitende Medium fördert. Die Rohre oder vielmehr das Rohrbündel sind ferner über einen größten Teil ihrer Länge hinweg von einem Mantel 3 umgeben. Der Mantel 3 ist an seinen Enden mit Verbindungen 6 versehen, welche den Mantel umgeben und ihrerseits mit Verbindungen 7 für das Medium versehen sind, welches um die Rohre im Inneren des Mantels strömt. Wie sich aus Figur 1 ersehen läßt, erstreckt sich der Mantel 3 um einen kleinen Abstand in die Verbindungen 6 hinein. Auf diese Weise wird das eintretende/verlassende Medium um das Rohrbündel in effizienterer Weise als bei dem Fall verteilt, wenn sich der Mantel nur zu den Verbindungen erstreckt. Hierdurch wird wiederum die Gefahr von inneren Wärmedifferenzen und hierdurch verursachten Spannungen reduziert.
• In Figur 1 ist nur ein Rohr jedes Kreises von Rohren aus Übersichtlichkeitsgründen zur Verdeutlichung der winkelmäßigen Progression oder der schraubenlinienförmigen Gestalt der Rohre gezeigt. Die Rohre sind nicht nur schraubenlinienförmig in unterschiedlichen Richtungen ausgelegt, sondern auch die Windungsabstände jedes Kreises sind geringfügig unterschiedlich. Bei dem dargestellten Beispiel wurde das innere Rohr 1 stärker gewunden als das äußere, um sicher zu stellen, daß die Rohrlängen der Rohre 1 und 2 gleich groß sein können, so daß der Strömungswiderstand im Inneren der Rohre gleich ist.
• Die Anordnung der Rohre stellt eine gute Turbulenz um die Rohre sicher, und da die Rohre an einer Stelle in eine Rohrplatte eintreten und an einer anderen Stelle aus der Rohrplatte austreten, werden mögliche laminare Strömungsverhältnisse beim Eintrittsstrom in effektiver Weise unterbrochen, wodurch sich die Leistungsfähigkeit steigern läßt.
• Da es schwierig wäre, Rohre im Mittelteil mit ausreichenden Windungen vorzusehen, um das notwendige Federungsvermögen und die Länge der Rohre zu erhalten, befindet sich im Zentrum ein Blindrohr 8. Diesem kommt lediglich die Aufgabe zu, einen gewissen Raum in dem Wärmeaustauscher auszufüllen, und es kann entweder über eine Rohrplatte mit dem inneren Medium verbunden sein, oder mit Öffnungen in Richtung zu dem äußeren Medium versehen sein, welches die Rohre umgibt. Das Blindrohr 8 ist jedoch nur fest mit einer Rohrplatte verbunden, so daß die möglichen Bewegungen des Wärmeaustauscherkerns durch dieses Rohr nicht behindert werden.
• Die Wärmeaustauscherrohre 1 und 2 sind nach der Herstellung ringweise gewunden. Die Rohre sind in Längsrichtung gewellt (siehe Figur 6) oder möglicherweise in Querrichtung dadurch profiliert, daß sie in Querrichtung in abwechselnden Richtungen (vorzugsweise um 90º) komprimiert sind, wodurch man eine wechselweise Abflachung der Rohre erhält. Hierdurch wird die Turbulenz im Inneren der Rohre verbessert und ein gesteigerter Wärmeaustausch wird unterstützt. Die Strömungsverhältnisse außerhalb der Rohre werden hierdurch verbessert und insbesondere wird der Strömungswiderstand für das äußere Medium herabgesetzt.
• Wenn man jeden Ring der Wärmeaustauscherrohre windet, erhält man eine stabile Gestalt für jeden Ring, und wenn man mit dem inneren Ring beginnt, zieht sich dieser zusammen und umgreift in effizienter Weise das zentral angeordnete Blindrohr, und der darauffolgende äußere Ring von Rohren 2 wird ebenfalls zusammengezogen und gegen den inneren Ring von Rohren 1 gedrückt. Werkzeuge zum Winden der Rohre oder vielmehr der Ringe von Rohren bewegen sich während der Windungsbewegung in axialer Richtung um den gleichen Abstand, während der Windungswinkel unterschiedlich ist. Die Werkzeuge können jedoch mit sehr geringfügigen Abänderungen für mehrere unterschiedliche Rohre von Wärmeaustauschern und unterschiedlichen Längen von Wärmeaustauschern genutzt werden. Vorzugsweise werden unterschiedliche Ringe in Wechselrichtungen gewunden. Wenn man die Ringe gesondert windet, ist das Gesamtdrehmoment, welches aufzubringen ist, relativ klein, und die Werkzeuge lassen sich auf einfache Weise auslegen.
• Da den unterschiedlichen Ringen von Rohren in einem Wärmeaustauscherkern nur eine solche winkelmäßige Progression verliehen wird, daß die gleiche Länge beibehalten wird, obgleich unterschiedliche Durchmesser vorliegen, läßt sich die Maschine zum Winden der Ringe von Rohren derart steuern, daß jeder Ring gewunden wird, bis eine vorgegebene, beabsichtigte, abschließende Länge des Kerns erreicht ist. Auf diese Weise braucht man den Progressionswinkel nicht zu errechnen, sondern die abschließende Länge bestimmt das Ausmaß der Progression für jeden Ring von Rohren.
• Ein Ring von Rohren, welcher auf die vorstehend beschriebene Weise gewunden ist, ist selbst ohne einen inneren Kern stabil, so daß man gegebenenfalls die unterschiedlichen Ringe gesondert herstellen und zusammensetzen kann. Da der Ring von Rohren beim Winden kleiner wird, haben die Enden der Rohre einen größeren Durchmesser als das Rohrbündel, und daher werden vor dem Verlöten der Rohre miteinander die Enden des Rohrbündels auf den Durchmesser des Bündels komprimiert, so daß man einen engen Sitz durch den einen Vorbeigang verhindernden Mantel erreichen kann.
• Bei der dargestellten Konstruktion des Mantels 3 und der Verbindungen 6 kann die Verbindung 6 für den Bypass des Wärmeaustauschers mit einem weiteren Wärmeaustauscher genutzt werden, da ein Strom an und durch die Verbindungen 6 an den Rohren vorbei nur einen sehr geringen Einfluß auf die Effizienz der Wärmeaustauscher hat. Hierdurch wird wiederum die Erstellung von sehr kompakt ausgelegten Wärmeaustauscherzentralen vereinfacht, welche beispielsweise in einzelnen Häusern bei einem städtischen Heizungssystem eingesetzt werden. Dies wird an Hand den Figuren 3, 4 und 5 nachstehend beschrieben.
• Das balgförmige, in gebrochenen Linien dargestellte Teil 9 zwischen dem Mantel 3 und der Verbindung 5 verbessert ferner das Federungsvermögen, so daß der Wärmeaustauscher besser mögliche Wärmespannungen aufnehmen kann, welche zwischen dem Rohrbündel und dem Wärmeaustauschermantel und den Verbindungen hiervon auftreten können.
• Wenn man Rohre mit einer winkelmäßigen Progression gemäß der voranstehenden Beschreibung einsetzt, lassen sich die axialen Spannungen zwischen den Rohren und dem Mantel in effizienter Weise eliminieren.
• Innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung ist es auch möglich, daß das Blindrohr vollständig frei schwebend angeordnert ist, ohne daß es entweder mit der einen oder der anderen Rohrplatte verbunden ist.
• Beim Winden der konzentrischen Kreise von Rohren brauchen diese nicht über ihre Länge hinweg geführt zu werden, sondern man erhält beim Winden eines Kreises von Rohren eine mehr oder weniger automatische Streckung des lbündels.
• Um die Ringe von Rohren mit einer Rohrplatte zu verbinden, werden Dorne mit einer geeigneten Gestalt in die Rohre gedrückt. Dies kann in einem Schritt oder in aufeinanderfolgenden Schritten, beispielsweise ein Schritt für jeden Ring zu einer Gestalt erfolgen, wie dies mit 1¹ oder 2¹ in Figur 2 dargestellt ist. Die Rohre werden mit einer derart ausreichenden Aufweitung erweitert, daß das Lot eine gute Verbindung herstellen kann. Das Löten kann mittels eines Roboters erfolgen. Da Kupfer das am häufigsten verwendete Material ist, bereitet diese Formung der Rohrenden keine besondere Schwierigkeiten. Wenn die unterschiedlichen Ringe von Rohren gesondert abgewinkelt oder gesondert gewunden werden, und dann zusammengesetzt werden, kann natürlich die Formgebung der Enden erfolgen, bevor die unterschiedlichen Lagen von Rohren zusammengesetzt werden. Vorzugsweise erfolgt jedoch die Formgebung an dem Rohrkern als eine Einheit. Die zum Aufweiten der Rohre eingesetzten Dorne sind vorzugsweise prismatisch abgeschrägt oder sie werden in Richtung zu ihrem vorderen Ende kleiner, um den Rohren eine gleichmäßige Verformung zu erteilen. Das Winden der Rohre sowie das Formen ihrer Enden kann mit Hilfe von hydraulischen, mechanischen oder anderen Mitteln erfolgen.
• In den Figuren 3 bis 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Heizeinrichtung basierend auf der Erfindung zum Einsatz bei gesonderten Häusern eines städtischen Heizungssystems gezeigt. Die Austauschereinrichtung umfaßt im wesentlichen vier Wärmeaustauscher der vorstehend beschriebenen Art. Zwei von diesen Wärmeaustauschern 20, 21 sind in Serie geschaltet, und sie werden in Gegenrichtungen zum Erwärmen von Wasser im Heizungssystem des Hauses durchströmt. Die anderen beiden Wärmeaustauscher 22 und 23 werden eingesetzt, um das heiße Wasser zu erwärmen, welches zu Zapfstellen in den Häusern geht. Eine zusätzliche Verbindung ermöglicht die Zirkulation von heißem Wasser im Haus, wodurch sichergestellt wird, daß Heißwasser schnell an der jeweiligen Zapfstelle im Haus zur Verfügung steht.
• Wie sich aus Figur 3 ergibt, ermöglicht der Einsatz der Wärmeaustauscher der vorstehend beschriebenen Art, welche nach der Erfindung ausgelegt sind, eine sehr einfache Gesamtauslegung der Vorrichtung. In den Figuren 4 und 5 ist ferner gezeigt, wie kompakt die Vorrichtung in Wirklichkeit wird, wenn die Wärmeaustauscher nahe beieinander angeordnet werden. Die erhaltene Einrichtung ist kompakt und ist nur mit einer minimalen Anzahl von Auslässen und Einlässen versehen, wodurch die Montage vereinfacht wird, und auch das Risiko von Fehlern bei der Montage reduziert wird.
• Aus dem vorstehenden Beispiel ist zu ersehen, wie einfach sich der Wärmeaustauscher nach der Erfindung in Parallelschaltungen und Reihenschaltungen unter Anpassung an unterschiedliche Erfordernisse hinsichtlich des Leistungsvermögens, usw. anordnen läßt.

Claims (10)

1. Wärmeaustauscher mit Rohren (1, 2), die schraubenförmig zwischen Rohrplatten (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1, 2) in konzentrischen Kreisen angeordnet sind, wobei die Rohre (1, 2) benachbarter Kreise miteinander in Berührung stehen und die Rohre in Längsrichtung gewellt sind.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1, 2) in den einzelnen Kreisen in wechselnder Richtung gewunden sind.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1, 2) im gleichen Kreis eng an benachbarten Rohren liegen.

4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Rohre (1', 2) so geformt sind, daß ihre Wandungen ohne größere Abstände zwischen ihnen eng aneinander angrenzen, und daß sie derart miteinander verlötet sind, daß die Rohrplatten (4) von den Enden der Rohre selbst gebildet werden.

5. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers gemäß Anspruch 1 mit Rohren (1, 2), die schraubenförmig zwischen Rohrplatten (4) und in Kreisen und mit gegenseitiger Berührung angeordnet und in ihrer Längsrichtung gewellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kreis von Rohren (1, 2) getrennt in die beabsichtigte winkelmäßige Progression gewunden wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die konzentrischen Kreise von Rohren (1, 2) in aufeinanderfolgenden Schritten, beginnend mit dem innersten Kreis, gewunden werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1, 2) der einzelnen Kreise über unterschiedliche Winkel gewunden werden, so daß Rohre mit der gleichen Länge in allen Kreisen verwendbar sind.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (l, 2) aufeinanderfolgender Kreise in wechselnden Richtungen gewunden werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittiges Blindrohr (8) vor dem Winden des inneren Kreises von Rohren (1) angebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Winden der Kreise von Rohren (1, 2) die Enden der Kreise radial komprimiert werden, um den Abstand zwischen den Rohren zu verringern und die Enden des Rohres an den allgemeinen Durchmesser des Rohrbündels anzupassen, welcher abnimmt, wenn die Kreise gewunden werden.