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Auf Innendruck beanspruchte Flachtasche für Wärmeaustauscher hie Erfindung
bezieht sich auf eine auf Innendruck lwanspruchte Flachtasche für Wärmeaustauscher
mit -zugleich als Leitflächen für das strömende :Medium dienenden Verankerungsstäben,
die mit den '1'asclienlireitwän(leu durch Schweißen eerl)unden sind.
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Erfindungsgemäß sind die im 8etriel> auf Zug beanspruchten Verankerungsstähe
mit den beiden 'I'asclienl)reit\c:indeii durch eine Anzahl von jeweils zwei in an
sich lmkannter Weise in einem Arbeitsgang hergestellte Widerstandspunktschweißungen
verbunden.
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Die bekannten Flachtaschen für Wärmeaustauscher der erfindungsgemäßen
Art waren entweder derart hergestellt, daß sämtliche Verankerungsstäbe zunächst
;in ihren beiden .ltiflagekanten mit der eineu Breitwand durch Lichtbogenschweißung
und nach dem Auflegen der anderen Breitwand Durchbrechungen in dieser, welche im
Bereich der Verankerungsstäbe vorgesehen sind, ebenfalls mittels Lichtbogens verschweißt
wurden, oder aber es wurden die Verankerungsstäbe zunächst auf das eine Blech durch
Widerstandsschweißung aufgebracht und dann die aufgelegte zweite Breitwand mit den
Verankerungsstäben ebenfalls durch Widerstandsschweißung verbunden.
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Diese Flachtaschenherstellung ist nicht nur umständlich, zeitraubend
und daher verhältnismäßig teuer, sondern sie ist insbesondere auch dann, wenn es
sich um die Anwendung der Widerstandsptinktschweißung handelt, für auf Innendruck
beanspruchte Flachtaschen wenig geeignet, da sie entweder
zu übermäßiger
Schweißarbeit zwingt oder hinsichtlich der erzielten Festigkeit wenig zuverlässig
ist. Es ist nämlich bei derartigen stufenweisen Verschweißungen der Verankerungsstäbe
mit der einen und dann mit der anderen Breitwand praktisch nicht möglich, dafür
zu sorgen, daß einander entsprechende Schweißpunkte beider Breitwände genau axial
senkrecht übereinanderliegen. Ist das aber nicht der Fall, so treten unsymmetrische,
also Biegungsmomente an den Schweißstellen hervorrufende Beanspruchungen auf, sobald
die Tasche unter Innendruck gesetzt wird, und es ist mit einer vorzeitigen Beschädigung
von Schweißstellen zu rechnen, da diese Biegungsmomente schlecht aufzunehmen vermögen:
Es sind ferner Flachtaschen für Wärmeaustauscher, vornehmlich solche für zu Ablagerungen
neigende Medien bekannt, bei denen man auf die Verankerungswirkung der inneren Leitflächen
verzichtet und die Leitflächen jeweils nur mit der einen Breitwand verschweißt.
Das ergibt aber den Nachteil großer Gewichtserhöhung, da die Breitwände dann mit
schweren Rahmen versehen werden müssen, die durch Schrauben miteinander verbunden
sind. Solche Ausführungen sind für höhere Innendrücke völlig ungeeignet, da ein
Aufblähen der unverankerten Breitwände unvermeidbar ist, was ein Unbrauchbarwerden
der Flachtasche zur Folge hätte.
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Man hat auch spiralförmig gewundene Leitkörper von Wärmeaustauschern
sfirnseitig durch Reibungsblöcke zusammengehalten und die das Ganze zusammenspannenden
Glieder miteinander verschraubt. Auch diese Konstruktion fällt schwer aus; sie ermöglicht
überdies nicht eine beliebige Zusammenstellung einzelner Elemente zu einer wenig
sperrigen größeren Einheit.
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Nun ist es zwar auf einem abseitsliegenden technischen Fachgebiet,
nämlich dem Bauwesen, bekannt, zur Herstellung rohr- oder kastenförmiger Konstruktionskörper,
wie insbesondere metallischer Tür- und Fensterrahmen, Balken, Säulen, Decken, Böden,
Wänden usw., zwei Bleche durch zwischengefügte Distanzstücke mittels einer Art Widerstandsabschmelzschweißung
(wozu die Distanzstücke an ihren Rändern verjüngte Querschnitte aufweisen) oder
auch durch einfache Punktschweißung in einem Arbeitsgang miteinander zu verbinden.
Abgesehen davon, daß der Kältetechniker seine Erfahrungen nicht aus dem Gebiete
des Bauwesens zu schöpfen pflegt, treten bei den bekannten Baukonstruktionen nicht
die besonderen Betriebsverhältnisse wie bei den auf Innendruck beanspruchten Flachtaschen
auf, so daß kein Anlaß dafür bestehen könnte, die bei der Herstellung von auf Innendruck
beanspruchten Flachtaschen auftretenden Schwierigkeiten nach den Vorbildern gänzlich
anderen Beanspruchungen unterliegender Elemente des Bauwesens zu überwinden.
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Die erfindungsgemäße Verbindung der im Betrieb auf Zug beanspruchten
Verankerungsstäbe mit den beiden Taschenbreitwänden durch jeweils zwei in an sich
bekannter Weise in einem Arbeitsgang hergestellte Widerstandspunktschweißungen ergibt
beim Auftreten des Innendrucks zwangsweise nur auf Zug beanspruchte Schweißverbindungen,
die höhere Haltbarkeit als unsymmetrisch belastete Punktschweißungen ergeben, bei
gleichem Druckaufnahmevermögen mit geringer Schweißarbeit auskommen und überdies
fertigungsmäßig einfach sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin,
daß es ohne die Fertigung zu erschweren möglich ist, die Taschendicke niedrig zu
halten und damit einen günstigen Wärmeaustausch zu erzielen. Flachtaschen mit i
bis 1,5 mm Breitwanddicke und 8 bis 7 mm Verankerungsstabhöhe, zusammen also
io mm, bereiten nunmehr herstellungsmäßig keine Schwierigkeiten mehr.
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Eine Flachtasche von i m2 Wärmeaustauschfläche und io mm Dicke wiegt
in einer Ausführung für 3 atü Prüfdruck nur ii bis 12 kg und für 5 bis 6 atü Prüfdruck
nur 14 bis 15 kg.
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Die durch den Gegenstand der Erfindung erzielbare Raumersparnis richtet
sich nach der Taschendicke, die man fallweise zur Anwendung bringen kann. Sie beträgt
bei io mm dicken Taschen mindestens 25 °/o; wenn nämlich die Lücken zwischen ihnen
die bisherige Weite behalten müssen. Können diese ebenfalls wieder gleich der Taschendicke
gewählt werden, so erspart man bis zu 500/0 an Raum. Im Verhältnis zur Raumersparnis
bei den Taschen verkleinern sich auch die Apparatgehäuse. Die Vorteile sind bei
Zwischentaschendicken entsprechende.
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Der günstige Einfluß auf die Fertigungskosten ist ohne weiteres erkennbar.
Er erhöht sich noch dadurch, daß man gemäß der Erfindung nur sehr wenig Handarbeit
vorzunehmen hat. Überdies haben die neuen Flachtaschen von vornherein so überlegen
ebene und glatte Breitwandflächen, daß z. B. bei Verwendung von dekapierten und
gespannten Blechen überhaupt keine Nacharbeit erforderlich ist, während solche vorbereiteten
Bleche bei der früheren Bauart der Taschen die Nacharbeiten nicht entbehrlich machen.
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Schließlich ergeben sich mit abnehmenderTaschendicke wachsende wärmetechnische
Vorteile, die wieder bei io mm starken Taschen am beträchtlichsten sind. Der sogenannte
tote, d. h. vom Wärmeaustausch nicht erfaßte Kern des Kühl- oder Heizmittels verschwindet
so gut wie völlig, und zugleich wird nach Reynolds (Übergang von der Iaminaren oder
Schichtströmung in die turbulente c-der Flechtströmung) bei den neuen Taschen eine
praktisch restlose Turbulenz bestehen, zumal die für letztere nötige Erneuerung
der Wirbelbildung an jeder Umkehrstelle der Taschenkanäle eintritt. Die kritische
Geschwindigkeit für den Übergang liegt jedenfalls bei den neuen Taschen bedeutend
tiefer als bisher, was bereits durch Versuche seine Bestätigung gefunden hat und
den wichtigen Vorteil bietet, daß man schon mit mäßigen Geschwindigkeiten hohe Wärmeübergangszahlen
erzielen kann. Überdies erreicht man noch den technischen Fortschritt einer Ersparnis
an Kühl- oder Heizmittelmenge, Pumparbeit, Leitungsquerschnitt usw.
In
allen Fällen; in denen man auch die Lücken zwischen den Flachtaschen (in der Regel
die Luft-oder Gasseite des Wärmeaustauschers) enger als bisher ausführen kann; ergeben
sich dort ebenfalls entsprechend erhöhte Geschwindigkeiten mit ihrem günstigen Einfluß
auf den Wärmeübergang.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt Fig. i einen senkrechten Schnitt durch eine Flachtasche bei weggebrochenem
mittlerem Taschenteil, Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. i veranschaulichten
Teiles einer Tasche.
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Die Kühl- oder Heiztasche ist gemäß Fig. i ein aus zwei Blechen ja
und ib von für den Verwendungzweck geeignetem Werkstoff (Flußstahl, nichtrostender
Stahl, Nickel usw. oder Legierungen) und aus stabförmigen Einlagen 2, die zur Verankerung
der Taschenwände ja, ib dienen, zusammengesetzter ,Hohlkörper, in dessen
Innerm die Stäbe 2 so angeordnet sind, daß sich aneinandergereilite Kanäle für den
Durchfluß eines Kühlmittels oder Heizmittels oder eines zu kühlenden oder zu erhitzenden
Mittels ergeben. Die Breitwände iaund lb sind an ihren l',ändern ringsum miteinander
verbunden, um eine plattenförmige Hohltasche entstehen zu lassen.
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Fig. 2 zeigt eine gebräuchliche versetzte Anordnung der Verankerungen
2, bei der abwechselnd ein Stab links und ein Stab rechts zwischen seinem Ende Lind
dein Taschenrande eine Lücke frei läßt, so claß ein Zickzackweg für das Kühl- oder
Heizmittel entsteht. Dabei sind der Zulaufstutzen 3 und der Ablaufstutzen 4 (im
Falle eines Kühlmittels; hei einem Heizmittel umgekehrt) seitlich angebracht. Abweichende
Anordnungen sind möglich. Sollen beispielsweise Zu- und Ablauf in der senkrechten
Mittellinie der Tasche übereinanderliegen, so verwendet man Verankerungen, von denen
abwechselnd ein Stab an beiden Enden und ein Stab in seiner Mitte einen Durchgang
für das Kühl-. oder Heizmittel offen läßt, so daß ein Doppelzickzackweg entsteht.
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Die Breitwandränder i' sind gemäß Fig. i und 2 zum Zweck ihrer Verbindung
unter einem stumpfen Winkel abgekantet, womit sich ein spitzdachförmiger Itandabschluß
an sich bekannter Art mit nur einer Schweißnaht i" ergibt, der herstellungstechnisch
und strömungstechnisch besonders günstig ist.
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Für die Verankerung der Breitwände la, ib sind gemäß Fig. 2 volle
Stäbe 2 gewählt, die die Kühl-oder Heizmittelkanäle Iris auf die Umkehrstellen voneinander
trennen. Statt dessen können aber auch nach einem vorn Erfinder anderweitig gemachten
Vorschlage durchbrochene Verankerungsstäbe verwendet werden falls diese beispielsweise
nicht zur Bildung einer Kanalfolge, sondern zum Verteilen eines gasförmigen Kühl-
oder Heizmittels über die ganze Taschenbreite unter rascher Abscheidung der flüssigen
Anteile dienen sollen, wie z. B. beim Kühlen mit einem verdampfenden Kältemittel,
beim Erhitzen mit einem kondensierenden Heizmittel od. dgl. Die Einlage- oder Verankerungsstäbe2
sind nicht in mehreren Arbeitsgängen, z. B. durch vorheriges Anschweißen an der
einen Breitwand und nachheriges Anschweißen an der zweiten Breitwand befestigt.
Fig. i zeigt vielmehr am obersten Einlegestab 2 zwei Elektroden El und E2, die gerade
im Begriff sind, sich gegen die den Stab 2 zwischen sich haltenden Bleche ja und
ib zu legen. Mit diesen Elektroden werden an deren Ansatzstelle (Punktschweißung)
erfindungsgemäß die drei dicht aneinanderliegenden Teile ja, 2, lb in einem einzigen
Arbeitsgang durch die an sich bekannte Widerstandsschweißung verbunden.
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Die Elektroden El, E2 haben für den Stromübergang vorteilhaft eine
ringförmige Stirnfläche, die der Breite der Verankerungsstäbe entspricht, jedoch
sind auch andere Elektroden anwendbar.
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In Fig. 2 ist eine gewöhnliche Punktteilung angedeutet, bei der je
vier Schweißpunkte ein quadratisches Breitwandfeld einschließen, dessen Widerstandsfähigkeit
gegen den Innendruck der Festigkeit eines Schweißpunktes (Ankers) entspricht. Bei
einer halb so großen Teilung ergibt sich eine nur ungefähr halb so große Belastung
der Schweißanker durch den im Innern der Flachtasche herrschenden Druck. Die Herstellung
der Verbindung ist jedoch so einfach, daß ohne merkbare Kostenerhöhung noch wesentlich
engere Teilungen gewählt, also ungewöhnlich hohe Sicherheitsgrade in der Verankerung
erreicht werden können.
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Gemäß der Erfindung werden die neuen Flachtaschen in der Weise hergestellt,
daß man die Bleche ja und ib, an denen gewünschtenfalls der obere und der untere
Rand schon abgekantet sein können, und die Stäbe 2, vorzugsweise unter Verwendung
von Schablonen, in ihrer endgültigen Stellung aufeinanderlegt und. so zusammenspannt,
daß sie sich nicht mehr verschieben können, worauf man das Paket einer Widerstandsschweißmaschine
zuführt und in dieser die Verankerungsstäbe 2 in einer der nutzbaren Ausladung der
Schweißarme angepaßten Folge, gewünschtenfalls unter Benutzung von Führungsschablonen,
mit den beiden Blechen ja und ib verbindet. Darauf führt man das Werkstück ja-2-,b
nach dem Abnehmen der ersten Spannvorrichtung einer Abkantvorrichtung zu, spannt
es an dem jeweils zu bearbeitenden Taschenrande fest ein und unterwirft diesen dem
Druck einer V-förmigen Matrize, die beide zusammengehörenden Blechränder i', i'.gleichzeitig
abkantet, während man nach dem Abkanten nur noch die Firstschweißnähte i" anlegt
und die. Stutzen 3, 4 anschweißt. Die für vorliegende Erfindung unwesentliche V-förmige
Kantenschweißung kann durch irgendeine andere Verbindung der Taschenränder ersetzt
sein. Mit dem vorbeschriebenen Verfahren vermindert sich der Aufwand an Zeit und
an Arbeitskräften so brträchtlich, daß man auch dadurch gegenüber der bisher überwiegenden
Handarbeit eine beträchtliche Kostenersparnis erzielt.
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Für die Verankerung der Breitwände ja, ib ist man nicht an
volle Stäbe 2 mit Rechteckquerschnitt gebunden, wie sie in der Zeichnung beispielsweise
g
t C #%#ählt sind. Der Querschnitt der Ankerstäbe richtet sich im Sinne der Neuerung
nach der Forderung, claß das Durchschweißen so leicht wie nur möglich ausgeführt
werden kann und die erreichbar beste Verbindung liefert. Versuche mit vollen Stäben
2 haben vorzügliche Ergebnisse gebracht, aber dieser Erfolg soll für das Arbeiten
mit beliebigen Schweißmaschinen sichergestellt werden. Das kann dadurch geschehen,
daß man erforderlichenfalls T-förmige, U-förmige oder sonstige Profile mit möglichst
großem Widerstand zur AnNvenclung bringt.