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Wärmeaustauscher Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, der
sich zum Aufbau, mindestens zum Teil, aus leicht verformbaren Metallen, insbesondere
Leichtmetallen wie Aluminium oder Aluminiumlegierungen, eignet.
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Es sind Wärmeaustauscher bekannt, welche aus einem oder aus mehreren
Rohren zum Leiten des einen strömenden Mittels, z. B. des zu Heizzwecken verwendeten
Wassers oder Dampfes, und aus mindestens einem mit diesem Rohr bzw. mit diesen Rohren
verbundenen plattenförmigen, durchbrochenen Körper bestehen, welche Körper die den
Wärmeübergang vermittelnde Fläche vergrößern und das zweite strömende Mittel, das
am Wärmeaustauschvorgang teilnimmt, z. B. Luft, durch ihre Öffnungen quer zur Plattenfläche
durchleiten. Bei derartigen bekannten Anordnungen wurden die plattenförmigen Körper,
im folgenden kurz Flügel genannt, mit den Rohren im allgemeinen verschweißt oder
verlötet oder durch irgendein anderes warmes Verfahren verbunden oder zwischen den
beiden Rohren einfach verspannt, wobei sich der Flügel an den Rohren nur unter Nutzbarmachung
der Reibung abstützte. Diese Anordnungen hatten den Nachteil der Warmbearbeitung
der Verbindungsstelle zwischen Rohr und Flügel, die zeitraubend und dementsprechend
kostspielig war und außerdem nicht zwischen beliebig ausgewählten Metallen möglich
ist, bzw. es war der gute Wärmeübergang zwischen Rohr und Flügel bei miteinander
nicht verlöteten oder nicht verschweißten Anordnungen nicht ausreichend.
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Im Gegensatz zu Anordnungen, bei welchen plattenförmige Kühlrippen
quer zur Längsachse des Rohres angeordnet sind, bezieht sich die Erfindung auf eine
Anordnung,
bei welcher der als Kühlfläche angeordnete Flügel mit seiner Fläche parallel zur
Rohrachse bzw. radial zu derselben steht. Im Sinne der Erfindung sind Rohr und Flügel
miteinander durch im Kaltverfahren bearbeitbare Verbindungselemente vereinigt. Die
die Verbindung zwischen Rohr und Flügel bewirkenden Elemente sind aus dem Rohr bzw.
aus dem Flügelkörper ausgebildet. Bei der einen Ausführungsform sind zu diesem Zweck
an der äußeren Oberfläche des Rohres eine oder mehrere in der Längsrichtung desselben
verlaufende, seitlich vorstehende rippenartige Gebilde vorgesehen, die durch eine
Längsnut in zwei Teile geteilt sind, so daß sie im Querschnitt Babel- oder zangenförmig
ausgebildet sind. Diese Nut nimmt in sich den vorzugsweise verstärkten Rand des
angeschlossenen Flügels auf. Da die Rippe aus dem Rohrmantel in radialer Richtung
vorsteht, kann sie nach dem Einsetzen des Flügelrandes in einem an sich bekannten
Kaltverfahren, z. B. durch Anwalzen, Anpressen, Anbördeln oder Anhämmern, leicht
bearbeitet werden, wobei sich die Nut vollkommen schließt und die beiden Rippenteile
den Flügelrand zwischen sich festhalten. Die Bearbeitung der Verbindungsteile verursacht
keine Schwierigkeiten, da die zu bearbeitenden Seiten der Rippe als aus dem Rohrkörper
hervorstehende Teile beiderseits bequem zugänglich sind. Die so erstellte Verbindung
ist in mechanischer Hinsicht einwandfrei, und die Verbindungsstelle bietet im Wege
des Warmflusses keinen Widerstand, da der Querschnitt und die gegenseitigen Berührungsflächen
ausreichend groß sind. Bei einer einfachen Ausführungsform der Erfindung wird das
Rohr z. B. aus Aluminium mit hohem Reinheitsgrad in unbegrenzter Länge durch eine
Strangpresse erzeugt und sodann in entsprechende Längen aufgeteilt. Das Arbeiten
mit der Strangpresse ist in diesem Fall besonders vorteilhaft, da die Rippe eine
verhältnismäßig geringe Höhe hat und man so in der Wahl der Stärke der Rippe eine
große Freiheit hat.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind am Rohr eine
oder mehrere längs laufende Rippen ohne Nut vorhanden, und der gegenüberstehende
Rand des Flügels ist im Querschnitt Babel- oder zangenförmig ausgebildet, wobei
die Rohrrippe nach der Verbindung in der Öffnung der Gabel liegt. Es ergeben sich
hierbei dieselben Vorteile in bezug auf die Bearbeitung der Verbindungsstelle, den
Wärmefluß und die mechanische Festigkeit, wie oben angegeben.
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Man kann in einer Rippe des Rohres auch mehrere Nuten ausbilden, die
zueinander parallel verlaufen und deren jede einen Flügelrand in sich aufnimmt,
oder es können in eine Nut auch mehrere Flügelränder gelegt werden. In beiden Fällen
stehen die Flügel in der Regel zueinander parallel. Je größer der Rohrdurchmesser
ist, um so freier ist die Wahl unter den angeführten Ausführungsmöglichkeiten.
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Die Erfindung ermöglicht es, Rohr und Flügel aus verschiedenen Materialien
herzustellen und miteinander ohne Schwierigkeiten zu vereinigen. So z. B. kann das
Rohr nötigenfalls aus korrosionsfestem Material, zweckmäßig aus einer entsprechenden
Leichtmetallegierung, und die Flügel z. B. aus Aluminium hergestellt sein. Da Rohr
und Flügel gesonderte Teile darstellen, hat man auch in der Wahl der Wandstärke
Form und Stoff des Flügels eine freie Wahl.
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Die Durchbrechungen im Flügel werden vorteilhaft derart hergestellt,
daß man das Material entlang zueinander paralleler Streifen aus dem Flügel derart
herausdrückt, daß die aus dem Flügel herausgedrückten stabförmigen Körper an beiden
Enden mit dem Flügel über Stege verbunden bleiben. Auf diese Weise kann man Körper
für Heizzwecke herstellen, deren Oberfläche das Vielfache der ursprünglichen Plattenoberfläche
ist. Sind z. B. die Breite der aus dem plattenförmigen Flügel herausgepreßten Stäbe,
deren gegenseitiger Abstand und die Flügelstärke einander gleich, so beträgt die
Oberfläche des so hergestellten rostförmigen Körpers, d. i. die Summe der vom strömenden
Mittel bestrichenen Gesamtfläche, nahezu das Vierfache der ursprünglichen Plattenfläche.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Wärmetauschvorrichtung ermöglicht
die Herstellung von Heizapparaten mit hoher Leistung, wenn man dafür sorgt, daß
das zu erwärmende oder abzukühlende Mittel mit erhöhter Geschwindigkeit entlang
von kleinen Flächen strömt, an welchen eine stagnierende Schicht des strömenden
Mittels sich nicht ausbilden kann. Zu diesem Zweck werden im Sinn der Erfindung
kastenförmige Wärmetauschapparate gebaut, in welchen die erwärmte Luft einen Luftzug
ähnlich wie in Essen erzeugt.
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Der kastenförmige Heizkörper wird im Sinn der Erfindung derart aufgebaut,
daß seine Wände mindestens zum Teil aus das Heizmaterial führenden Rohren und aus
mit diesen verbundenen durchbrochenen Flügeln bestehen, wobei die zu erwärmende
Luft durch die seitlichen Durchbrechungen unten in das Innere des Kastens strömt,
sich dort erwärmt und durch oben im Kasten vorgesehene Öffnungen unter Erzeugung
einer Saugwirkung entweicht. Bei entsprechend dünner Wandstärke der Flügel können
die Durchbrechungen mit feiner Teilung angeordnet sein, also viel schmale Schlitze
dicht nebeneinanderliegen. Dadurch wird erreicht, daß sich eine stagnierende Schicht
des durchströmenden Mittels an der bestrichenen Fläche nicht ausbilden kann und
zufolge der durch die besagte Saugwirkung erhöhten Strömungsgeschwindigkeit der
Wärmeübergangskoeffizient entsprechend erhöht wird.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Fig. Z zeigt ein aus 5 Teilen bestehendes Vierflügelrohr in Querschnitt,
Fig. a die gegenseitige Lage von Rohr und Flügel vor dem Verbinden der beiden Teile,
Fig. 3 die fertige Verbindung in Ansicht, Fig. 4 einen aus zwei Rohren und einem
entlang seiner Ränder mit den Rohren verbundenen durchbrochenen Flügel gebildeten
Teil eines Wärmetauschers im Querschnitt, Fig. 5 eine ähnliche Anordnung, jedoch
mit je zwei zueinander parallel liegenden Flügeln; Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform,
bei welcher der zwischen den beiden Rohren liegende Flügel winkelig gebogen ist;
Fig. 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsformen, bei
denen in jeder
Nut der Rohrrippen mehr als ein durchbrochener Flügel angeordnet ist; Fig. 9 und
io zeigen je einen kastenförmigen Wärmetauscher, gebaut aus den Elementen nach der
Erfindung in lotrechtem Schnitt; Fig.9a zeigt einen ähnlichen Wärmetauscher im waagerechten
Schnitt durch das Sammelrohr; Fig. ii zeigt einen durch spiralförmige Windung eines
bzw. zweier Flügelrohre hergestellten Wärmetauscher in Seitenansicht; Fig. 12 ist
eine Draufsicht der Anordnung gemäß Fig. i1, und Fig. 13 ist ein Querschnitt durch
die Wände des Wärmetauschers; Fig. 14 zeigt einen durch Biegung eines Flügelrohres
gemäß der Erfindung hergestellten schlangenförmigen Heizapparat.
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In der Fig. i sind mit dem Flügelrohr 8 vier durchbrochene Flügel
9 verbunden. Zwecks Bildung der Durchbrechungen in den Flügeln 9 wird der mittlere
Teil des Flügels zwischen den beiden Rändern in zueinander parallel liegende Streifen
geschnitten und von zwei benachbarten Streifen entweder der eine belassen und der
andere in einer Richtung aus dem Flügel herausgedrückt, oder es werden beide Streifen,
jedoch in verschiedenen Richtungen, aus dem Flügel herausgedrückt. Einen auf die
zweite Art hergestellten Flügel zeigt der untere Teil der Fig. i. In allen Fällen
erfolgt das Herausdrücken der Streifen derart, daß die Streifen an beiden Enden
mit dem Flügelkörper verbunden bleiben.
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Der in der Fig. i nach links abstehende Flügel ist mit dem Rohr 8
über seinen Rand dadurch verbunden, daß am Rohr 8 als Verbindungselement ein mit
der Rohrachse parallel verlaufender rippenartiger Vorsprung io vorgesehen ist, in
dessen Nut die Kante ii des Flügels 9 eingreift.
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Der in der Fig. i nach oben stehende Flügel 9 ist an seinen beiden
Kanten 12 im Querschnitt gabelartig ausgebildet, also verstärkt, und mit einer Nut
versehen, in welche Nut sich der radial abstehende Vorsprung 13 des Rohres 8 legt.
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Der rechts abstehende Flügel 9 ist entlang seiner Kanten 14, 18 wulstartig
verstärkt. Der Vorsprung 15 am Rohr 8 ist hohl, und die Wulst 14 des Flügels 9 ist
von den beiden, die Nut des Vorsprunges 15 begrenzenden Stege umgriffen.
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Der nach abwärts stehende Flügel ist in Fig. i an zwei einander gegenüberliegenden
Kanten im Querschnitt zangenförmig ausgebildet, also im verstärkten Teil 16 bzw.
i9 mit je einer längs verlaufenden Nut versehen. In der oberen Nut liegt der wulstförmig
verstärkte Vorsprung 17 des Rohres 8, den die die Nut seitlich begrenzenden Stege
umgreifen.
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Fig. 2 und 3 zeigen die Art der Herstellung der Verbindung. Die wulstartige
Kante 14 des durchbrochenen Flügels 9 ragt hier in den im Querschnitt zangenförmigen
rippenartigen Vorsprung 15 des Rohres B. Nach dem Einführen des Flügels in die hohle
Rippe gemäß Fig. 2 werden die die Nut seitlich begrenzenden Stege der Hohlrippe
15 in die Lage gemäß Fig. 3 auf kaltem Wege zusammengepreßt. Dies kann z. B. zwischen
zwei Preßrollen erfolgen, die an den Außenseiten der beiden Stege der hohlen Rippe
15 in der Längsrichtung des Rohres 8 entlanggeführt werden können. Auf diese Weise
erhält man ohne Löten oder Schweißen in einfacher Weise eine mechanisch feste und
gut wärmeleitende Verbindung. Man kann das Rohr 8 z. B. aus rostfreiem Stahl und
die Flügel 9 aus in beliebiger Weise, z. B. durch Eloxieren, Legieren od. dgl. korrosionsfrei
gemachtem, gut wärmeleitendem Stoff, z. B. Aluminium oder Kupfer, herstellen.
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Fig.4 zeigt einen Teil einerWärmetauschvorrichtung, bestehend aus
den zwei Röhren 8 zum Leiten des einen strömenden Mittels und einem mit den Rohren
auf die beschriebene Weise über genutete Rippen io verbundenen Flügel 9.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind an den Rohren 8 an zwei
einander gegenüberliegenden Seiten Rippen io mit je zwei Nuten vorgesehen. In jeder
Nut ist ein Flügel 9 angeordnet. Die Verbindung der beiden Flügel mit einer Rippe
erfolgt in einem Arbeitsgang auf kaltem Weg durch Pressen, Hämmern od. dgl.
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Der Flügel 9 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 winkelig gebogen.
Durch diese Anordnung kann bei sonst gleichbleibender Heizfläche des Wärmetauschapparates
die Länge desselben wesentlich verkürzt werden.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 7 liegen in einer Nut der Rippe io des
Rohres 8 zwei durchbrochene Flügel 9. Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform
mit je zwei Flügeln in einer Nut io der Rohre B.
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Fig. 9 zeigt den Querschnitt eines kastenförmigen Wärmetauschers gemäß
der Erfindung. 2o sind die beiden waagerecht verbundenen Rohre des Apparates, welche
Rohre miteinander über U-förmige, quer zur Längsrichtung der Rohre 2o angeordnete
Flügelrohre 8 verbunden sind. 21 ist eine volle Wand ohne Flügel. Der Oberteil der
Verbindungsrohre 8 ist glatt, und die Flügel beginnen etwas unterhalb dieses oberen
Teiles. Im Innern des Kastens, dessen Schmalseiten vorteilhaft ebenfalls durch Flügel
abgeschlossen sind, erwärmt sich die in Richtung der unteren beiden Pole hereinströmende
kalte Luft und entfernt sich in Richtung der oben eingezeichneten Pfeile, wobei
im Innern des Kastens, ähnlich einer Esse, ein Luftzug entsteht. In ähnlicher Weise
arbeitet die Anordnung gemäß Fig. io, wenn an Stelle der vollen Wand 21 der Fig.
9 die Anordnung spiegelbildlich symmetrisch ausgebildet ist.
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Gegen Dilatationen ist die Anordnung zufolge der Anwendung gebogener
Flügelrohre weitgehend unempfindlich.
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Fig. 9 a zeigt einen Längsschnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 9,
in welcher zwei benachbarte Verbindungsrohre 8 mit den zwischen denselben liegenden
Flügeln 9 dargestellt sind.
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Bei der Anordnung gemäß den Fig. i1 bis 13 sind im oberen Teil des
Ausführungsbeispiels zwei zueinander parallel liegende Flügelrohre 8 mit den zwischen
denselben liegenden Flügeln 9 spiralförmig derart gewunden, daß sich ein Heizkörper
mit dem Querschnitt gemäß Fig. 12 ergibt. Im unteren Teil der Fig. ii und 13 ist
gezeigt, daß zwei benachbarte Flügel an den einander gegenüberstehenden Rändern
miteinander in gleicher Weise verbunden werden können, wie es für ein Rohr und einen
Flügel oben bereits beschrieben wurde. In einem derartigen essenförmigen Heizkörper
entsteht
eine ausgiebige Zugwirkung, wobei die Luft quer durch die Flügel 9 in das Innere
der Esse strömt und dieselbe oben verläßt.
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Man kann das Flügelrohr gemäß der Erfindung auch entsprechend der
Fig.14 in eine Schlangenform biegen, wobei zwischen den geraden und zueinander parallel
liegenden Rohrabschnitten des Rohres 8 die Flügel 9 liegen. In der oberen Hälfte
der Figur ist eine Anordnung mit einem Flügel zwischen zwei benachbarten Rohrabschnitten,
im unteren Abschnitt zwei Flügel zwischen zwei benachbarten Rohrabschnitten dargestellt,
welche zwei Flügel miteinander über den beschriebenen genuteten Rand des einen Flügels
verbunden sind.
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Bei allen Ausführungsformen des beschriebenen Wärmetauschers kann
an Stelle der Thermosiphonwirkung das eine Mittel auch mit Hilfe einer Pumpe oder
eines Ventilators in strömender Bewegung erhalten werden.