EP0633444B1 - Wärmetauscher aus mehreren parallel zueinander angeordneten Austauscherrohren - Google Patents

Wärmetauscher aus mehreren parallel zueinander angeordneten Austauscherrohren Download PDF

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EP0633444B1
EP0633444B1 EP94110457A EP94110457A EP0633444B1 EP 0633444 B1 EP0633444 B1 EP 0633444B1 EP 94110457 A EP94110457 A EP 94110457A EP 94110457 A EP94110457 A EP 94110457A EP 0633444 B1 EP0633444 B1 EP 0633444B1
Authority
EP
European Patent Office
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ribs
heat exchanger
cross
exchanger tube
flow
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP94110457A
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English (en)
French (fr)
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EP0633444A3 (de
EP0633444A2 (de
Inventor
Burkhard Trage
Harald Sassmann
Wolfgang Holten
Miroslav Podhorsky
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Balcke Duerr GmbH
Babcock Borsig AG
Original Assignee
Balcke Duerr AG
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Publication date
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Application filed by Balcke Duerr AG filed Critical Balcke Duerr AG
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Publication of EP0633444A3 publication Critical patent/EP0633444A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/126—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element consisting of zig-zag shaped fins
    • F28F1/128—Fins with openings, e.g. louvered fins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
    • F28D1/0535—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/08—Fins with openings, e.g. louvers

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger made of several parallel to each other arranged exchanger tubes, the cross section for the passage of a of the media involved in the heat exchange is large in relation to the height Has width and which to form a variety of perpendicular to Longitudinal direction of the exchanger tube extending flow channels for the other medium involved in heat exchange on both flat sides Ribs from a multiply deflected, opening and on Exchanger ribbed belt are provided.
  • a heat exchanger of this type is known from EP-A-0 546 334.
  • the one here Exchanger tubes are used in a device with the fins provided, which are formed from a ribbed band, which in front of the Fastening on the flat sides of the respective exchanger tube multiple deflections receives the required rib shape. Subsequently the ribbed belt thus shaped is attached to the respective one Flat side of the exchanger tube.
  • those made from an endless ribbed belt and one each over the Length of the flat sides with continuously formed channel-forming ribs Features in the form of lateral offsets. In this way should have an increased degree of turbulence in the medium flowing through the channels generated to increase the heat transfer.
  • a disadvantage of heat exchangers of this type is the relatively high tendency to become contaminated in the channels formed by the ribs. By the characteristics this tendency to contamination is shown in the form of individual lateral offsets still increased, because dirt particles are particularly easy in these places can fix what with progressive operation of the heat exchanger can lead to complete closure of the channel concerned. Hereby becomes an undesirable local deterioration in heat transfer behavior of the heat exchanger.
  • the invention is therefore based on the object of further developing the known heat exchanger in such a way that the influence of any contamination on the heat transfer performance of the heat exchanger is reduced.
  • the openings of the Ribs of adjacent exchanger tubes are arranged.
  • the flow exchange between the cross sections divided by the ribs is further improved in that the side surfaces of the ribs in Area of the rib base are provided with additional openings, the Opening cross sections are each smaller than the cross section of through two adjacent ribs formed flow channels.
  • the additional openings are preferably located halfway between two successive openings.
  • a particularly good connection between the ribbed belt and the respective one Exchanger tube is achieved when according to a preferred embodiment the ribbed band is folded approximately rectangular, so that the Deflection of flat surfaces for contact with the flat sides of the exchanger tube or on the appropriately designed surfaces of the ribbed belt of the neighboring exchanger tube. This also allows the improve mutual support between adjacent exchanger tubes.
  • Another embodiment of the heat exchanger is characterized by partly lowered, partly raised shapes in the side surfaces of the Ribs. These characteristics create or intensify a turbulence of the flowing medium, which increases the heat transfer performance can be increased.
  • the ribbed band is over a linear, continuous welding on the flat sides of the Exchanger tube attached. This results in a particularly good one metallic connection between the parts and thus a high heat transfer between the exchanger tube and the fins.
  • the rib band is preferably welded to the respective one Flat side of the exchanger tube by means of a capacitor discharge welding process produced.
  • This welding process enables when merging the ribbed plate and the exchanger tube Broad sides of the base body to the contour of the respective rib base Adjust without gaps.
  • the pressure required for this is two Electrodes generated, which are part of the capacitor discharge welding machine are. While one electrode in the rib foot area between two adjacent ribs, the on the other inside of the base body and forms here an abutment. In this way the is for a gapless touch connecting parts taken care of so that after unloading Capacitor discharge welding machine capacitors a linear Fastening the ribs on the base body and thus a very good heat transfer between these parts is achieved.
  • AT-A-380 104 was in the broadest sense a heat exchanger to be addressed plate radiator known in which by appropriate Forming two interconnected radiator plates a plurality of vertically extending channels for the heat-emitting medium is. The channels are in a row one behind the other. In contrast to Heat exchangers according to the invention run through a convector plate formed flow channels parallel to those formed by the radiator plate Channels for the heat-emitting medium.
  • the one from AT-A-380 104 known plate radiator differs not only in terms of Use of several exchanger tubes arranged parallel to each other in relation to the height of the very large width of the flow cross-section of the subject of the invention, but also with regard to the assignment of on the one hand from the heat emitting and on the other hand from the heat absorbing Medium flow channels. Because of these fundamental differences the plate radiator known from AT-A-380 104 has no relation to the problem underlying the present invention, namely the influence of any contamination on the heat transfer performance to reduce.
  • NL-A-89 00 293 was finally a generic heat exchanger known, but which has no openings, the cross section at least the size of the flow cross-section through two adjacent ribs of the same exchanger tube formed flow channel corresponds.
  • the known heat exchanger are narrow slots alternately over the entire area of the folded ribs formed, that is, both in Head area as well as in the side areas and in the foot area.
  • the heat exchanger shown in Fig. 1 consists of exchanger tubes 1, which are arranged parallel to each other in the manner of a package. 1 are for reasons of clarity, only two such exchanger tubes 1 shown.
  • Fig. 1 shows that the cross section of the exchanger tubes 1 for the Passage of one of the media involved in the heat exchange in proportion to the height H has a large width B.
  • the longitudinal edges of the exchanger tube thus formed 1 are rounded, so that the total cross section of a elongated oval.
  • the other medium is cross-flow over the outer flat sides 2 of the exchanger tubes 1 out.
  • the ribs 3 are made from an endless sheet by repeated bending manufactured so that, viewed in the longitudinal direction of the exchanger tube 1, the Ribs 3 line up in a meandering pattern. This is particularly good in Fig. 2 recognizable.
  • the meandering of the ribbed band 4 thus formed are, as also Fig. 2 reveals a rectangular shape, so that the exchanger tube 1 facing and the deflections 5 facing away from the exchanger tube 1 each form flat surfaces 6.
  • the surfaces 6 serve a particular purpose good connection of the rib base area with the flat side 2 of the Exchanger tube 1.
  • the material for the ribbed belt 4 is e.g. Steel sheet with a thickness of 0.1 to 0.4 mm, which on both sides with a thin aluminum layer is plated.
  • the ribs 3 consisting of the rib band 4 deflected in a meandering shape are located on both sides of the exchanger tubes 1.
  • the so designed Exchanger tubes 1 can then be assembled into any packages, the attachment and spacing of the individual exchanger tubes 1 to each other at their ends.
  • the diversions 5 at the end of the rib 3, the smallest possible distance to the opposite Deflections 5 of the adjacent exchanger tube 1 exhibit.
  • the distance must not be so small that the danger a contact between the fins 3 of the adjacent exchanger tubes 1 exists.
  • Capacitor discharge welding is a special one Type of resistance welding where the energy required during welding is not taken directly from the mains via a transformer is, but a capacitor bank that acts as an energy storage outside of Welding time is loaded.
  • the advantage of capacitor discharge welding consists in the suitability to use different materials, e.g. Steel / aluminum. You can also use this procedure also weld surface-treated materials, e.g. galvanized or aluminized sheets without causing surface damage is coming.
  • the capacitor discharge welding process uses two of them independent electrodes 7.8.
  • the upper electrode 7 available five times and consists of disc-shaped individual electrodes from a suitable electrode material, e.g. CuCrZr.
  • the lower one Electrode 8 is designed as a plate, which extends over the entire width of the Exchanger tube 1 extends and has exactly its inner profile. In this way, the lower electrode 8 also serves to guide the base body of the exchanger tube 1 during the welding process. Especially but the lower electrode 8 forms an abutment for those of the upper Electrodes 7 generated pressing forces.
  • the lower electrode 8 is more suitable for this Way with the interposition of insulation on the used Supported welding machine.
  • the alignment of the upper electrodes 7 is such that this with its narrow end faces exactly between two neighboring Ribs 3 can retract until they are located at the rib base area between them get to the inside of surface 6.
  • Spring elements 7a cause a defined pressing force, that of the abutment serving lower electrode 8 is recorded.
  • the capacitors of the welding machine are discharged, which temporarily causes high energy from the upper electrodes 7 of the lower electrode 8 flows.
  • the finished Heat exchanger parts come out of the cold after welding Machine, therefore retain their shape and show no tendency to warp or change of shape.
  • Figures 4 and 5 show exchanger tube 1 and fins 3 immediately before joining them together, the surfaces coming into contact with one another are provided with a surface structure designed in the pattern repeat.
  • the outer flat side 2 of the Exchanger tube 1 with a fine, even corrugation 8 with groove depths 0.1 to 0.3 mm.
  • the 5 the surface structure designed in the repeat at the bottom of the rib foot areas, i.e. in the area of the deflection 5. For this purpose, these are embossed in the form of humps projecting downwards or surveys 8a.
  • the rib band 4 is a continuous, meandering folded Sheet shown without further structures.
  • the ribs do not form a closed line over their entire length Channels, but they are evenly spaced with openings 9 provided, as the exact representations Fig. 1, Fig. 2, Fig. 4 and Fig. 5 show.
  • These openings 9 are in the area of the flat side 2 of the Exchanger tube 1 arranged deflections 5, i.e. in the area the end of the ribs. A mass transfer can take place via these openings 9 with which flowing through the ribs 3 of the respectively adjacent exchanger tube 1 Medium take place.
  • the flow arrows A illustrate the flow entry into the area of the ribs.
  • contamination S in one of the cross-sections it would not be possible for the flow to pass in this area a heat exchanger of the known type, the flow through this cross section be completely prevented.
  • the flow can the path of a redirection U go.
  • the flow passes through the opening in front of the obstacle 9 in that cross-section through the ribs 3 of the adjacent Exchanger tube 1 is formed.
  • part of the flow can then pass over the following Flow back opening 9 into the original cross section, so that the Flow ultimately leaves the heat exchanger evenly.
  • each of the openings 9 is at least the size of the cross-section through which it flows Q between two adjacent ribs 3.
  • the individual ribs 3 are provided with additional geometric structures, which serve the medium flowing through or flowing past to mix or create turbulence.
  • additional geometric structures which serve the medium flowing through or flowing past to mix or create turbulence.
  • the ribs 3 and others Characteristics 10 in the form of lateral bulges provided that alternate to one side and to the other side of the respective Extend rib 3. These characteristics 10 have a considerable effect Increase in turbulence of the flowing medium.
  • To achieve additional openings 11 are also provided. These are located in the side surfaces of the ribs 3 in the area of the base of the rib. Their opening cross section is significantly smaller than the opening cross section of the openings 9, in particular smaller than the size of the flow Cross section Q between two adjacent ribs 3.
  • Fig. 1 shows that the additional openings 11 are each halfway between two successive openings 9 are located.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher aus mehreren parallel zueinander angeordneten Austauscherrohren, deren Querschnitt für den Durchtritt eines der am Wärmeaustausch beteiligten Medien eine im Verhältnis zur Höhe große Breite aufweist und die zur Bildung einer Vielzahl von rechtwinklig zur Längsrichtung des Austauscherrohres verlaufenden Strömungskanälen für das andere am Wärmeaustausch beteiligte Medium auf beiden Flachseiten mit Rippen aus einem mehrfach umgelenkten, Öffnungen aufweisenden und am Austauscherrohr befestigten Rippenband versehen sind.
Ein Wärmetauscher dieser Art ist aus der EP-A-0 546 334 bekannt. Die hierbei verwendeten Austauscherrohre werden in einer Vorrichtung mit den Rippen versehen, die aus einem Rippenband geformt werden, welches vor der Befestigung auf den Flachseiten des jeweiligen Austauscherrohres durch mehrfache Umlenkungen die erforderliche Rippenform erhält. Anschließend erfolgt die Befestigung des so geformten Rippenbandes auf der jeweiligen Flachseite des Austauscherrohres.
Bei einer Ausführungsform des bekannten Wärmetauschers ist vorgesehen, die aus einem endlosen Rippenband hergestellten und jeweils einen über die Länge der Flachseiten durchgehend geformten Kanal bildenden Rippen mit Ausprägungen in Form von seitlichen Versätzen zu versehen. Auf diese Weise soll in dem die Kanäle durchströmenden Medium ein erhöhter Turbulenzgrad erzeugt werden, um den Wärmeübergang zu erhöhen.
Nachteilig bei Wärmetauschern dieser Art ist die relativ hohe Verschmutzungsneigung in den durch die Rippen gebildeten Kanälen. Durch die Ausprägungen in Gestalt einzelner seitlicher Versätze wird diese Verschmutzungsneigung noch erhöht, da sich an diesen Stellen besonders leicht Schmutzteilchen festsetzen können, was mit fortschreitendem Betrieb des Wärmetauschers bis zum vollständigen Verschluß des betreffenden Kanals führen kann. Hierdurch wird eine unerwünschte lokale Verschlechterung des Wärmeübertragungsverhaltens des Wärmetauschers hervorgerufen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Wärmetauscher so weiterzuentwickeln, daß der Einfluß eventueller Verschmutzungen auf die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers verringert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, die Öffnungen im Bereich der zur Flachseite der Austauscherrohre parallelen Umlenkungen der Rippen mit jeweils mindestens der Größe des Strömungsquerschnittes des durch zwei benachbarte Rippen des gleichen Austauscherrohres gebildeten Strömungskanals auszubilden.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß im Fall lokaler Verschmutzungen und insbesondere der Verstopfung einzelner Strömungskanäle über die im Kopfbereich der Rippen ausgebildeten Öffnungen ein Ausweichen der Strömung in die Strömungskanäle des benachbarten Austauscherrohres möglich ist, so daß die Strömungsbehinderung und damit der Verlust an Wärmeübertragungsleistung nur gering ausfällt. Ist ein Durchströmen eines durch benachbarte Rippen gebildeten Strömungskanals nicht mehr möglich, so kann die Strömung über eine der in den Rippen angeordneten Öffnungen in den benachbarten Strömungskanal ausweichen und dort weiterströmen. Nach dieser Umgehung des Hindernisses kann die Strömung dann über eine weitere Öffnung wieder in den ursprünglichen Querschnitt übertreten. Das so erreichte Zusammenfassen zweier Strömungen in einem einzigen Querschnitt hat hinsichtlich der Wärmeübertragungsleistung keine nennenswerten Nachteile, da im Bereich der Umlenkung die Strömungsgeschwindigkeit zwangsläufig ansteigt, so daß sich die Wärmeübertragungsleistung lokal erhöht. Hierdurch wird der Verlust an Wärmeübertragungsleistung im verstopften Querschnitt teilweise wieder aufgehoben.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung überdecken sich die Öffnungen der Rippen benachbarter Austauscherrohre.
Der Strömungsaustausch zwischen den durch die Rippen unterteilten Querschnitten wird ferner dadurch verbessert, daß die Seitenflächen der Rippen im Bereich des Rippenfußes mit zusätzlichen Öffnungen versehen sind, deren Öffnungsquerschnitte jeweils geringer sind als der Querschnitt der durch zwei benachbarte Rippen gebildeten Strömungskanäle.
Um trotz der zusätzlichen Öffnungen eine hohe mechanische Stabilität des Rippenbandes zu erreichen, befinden sich die zusätzlichen Öffnungen vorzugsweise jeweils auf halber Länge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Öffnungen.
Eine besonders gute Verbindung zwischen dem Rippenband und dem jeweiligen Austauscherrohr wird erreicht, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Rippenband etwa rechteckförmig gefaltet ist, so daß die Umlenkungen ebene Flächen zur Anlage an den Flachseiten des Austauscherrohres bzw. an den entsprechend gestalteten Flächen des Rippenbandes des benachbarten Austauscherrohres bilden. Hierdurch läßt sich auch die gegenseitige Abstützung zwischen benachbarten Austauscherrohren verbessern.
Eine weitere Ausgestaltung des Wärmetauschers ist gekennzeichnet durch teils abgesenkt, teils erhaben geformte Ausprägungen in den Seitenflächen der Rippen. Diese Ausprägungen erzeugen bzw. verstärken eine Turbulenz des durchströmenden Mediums, wodurch sich die Wärmeübertragungsleistung zusätzlich erhöhen läßt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Rippenband über eine linienförmige, durchgehende Verschweißung an den Flachseiten des Austauscherrohres befestigt. Auf diese Weise ergibt sich eine besonders gute metallische Verbindung zwischen den Teilen und damit ein hoher Wärmeübergang zwischen dem Austauscherrohr und den Rippen.
Vorzugsweise wird die Verschweißung des Rippenbandes mit der jeweiligen Flachseite des Austauscherrohres mittels eines Kondensator-Entladungs-Schweißverfahrens hergestellt. Dieses Schweißverfahren ermöglicht es, daß sich beim Zusammenführen von Rippenblech und Austauscherrohr die Breitseiten des Grundkörpers an die Kontur des jeweiligen Rippenfußes spaltfrei anpassen. Die hierzu erforderliche Andrückkraft wird von zwei Elektroden erzeugt, die Bestandteil des Kondensator-Entladungs-Schweißgerätes sind. Während die eine Elektrode in den Rippenfußbereich zwischen zwei jeweils benachbart angeordneten Rippen einfährt, liegt die andere Elektrode an der jeweiligen Innenseite des Grundkörpers an und bildet hier ein Widerlager. Auf diese Weise ist für eine spaltlose Berührung der zu verbindenden Teile gesorgt, so daß nach erfolgter Entladung der Kondensatoren des Kondensator-Entladungs-Schweißgerätes eine linienförmige Befestigung der Rippen auf dem Grundkörper und damit eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen diesen Teilen erreicht wird.
Aus der AT-A-380 104 war zwar ein im weitesten Sinn als Wärmetauscher anzusprechender Plattenradiator bekannt, bei dem durch entsprechende Formung zweier miteinander verbundener Radiatorplatten eine Mehrzahl von senkrecht verlaufenden Kanälen für das wärmeabgebende Medium ausgebildet ist. Die Kanäle liegen hierbei in einer Reihe hintereinander. Im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Wärmetauscher verlaufen die durch ein Konvektorblech gebildeten Strömungskanäle parallel zu den durch die Radiatorplatte gebildeten Kanälen für das wärmeabgebende Medium. Der aus der AT-A-380 104 bekannte Plattenradiator unterscheidet sich somit nicht nur bezüglich der Verwendung mehrerer parallel zueinander angeordneter Austauscherrohre mit im Verhältnis zur Höhe sehr großer Breite des Durchströmungsquerschnittes vom Gegenstand der Erfindung, sondern auch hinsichtlich der Zuordnung der einerseits vom Wärmeabgebenden und andererseits vom wärmeaufnehmenden Medium durchströmten Kanäle. Aufgrund dieser grundsätzlichen Unterschiede hat der aus der AT-A-380 104 bekannte Plattenradiator keine Beziehung zu der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabenstellung, nämlich den Einfluß eventueller Verschmutzungen auf die Wärmeübertragungsleistung zu verringern.
Aus der NL-A-89 00 293 war schließlich ein gattungsgemäßer Wärmetauscher bekannt, der jedoch keine Öffnungen besitzt, deren Querschnitt mindestens der Größe des Strömungsquerschnittes des durch zwei benachbarte Rippen des gleichen Austauscherrohres gebildeten Strömungskanals entspricht. Bei dem bekannten Wärmetauscher sind schmale Schlitze abwechselnd über den gesamten Bereich der gefalteten Rippen ausgebildet, das heißt sowohl im Kopfbereich als auch in den Seitenbereichen und im Fußbereich.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, es zeigen:
Fig. 1
in einer Schnittdarstellung einen Wärmetauscher mit zwei parallel zueinander angeordneten Austauscherrohren, die beidseitig mit Rippen versehen sind,
Fig. 2
einen Schnitt entlang der Linie ll-ll der Fig. 1,
Fig. 3
in einer perspektivischen Ansicht den Ablauf des Verfahrens zur Herstellung des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Wärmetauschers unter Verwendung eines Kondensator-Entladungs-Schweißverfahrens,
Fig. 4
in einer Schnittdarstellung die zu verbindenden Teile gemäß Fig. 3 unmittelbar vor dem Zusammensetzen und Verschweißen und
Fig. 5
in einer Schnittdarstellung die zu verbindenden Teile gemäß Fig. 3 unmittelbar vor dem Zusammensetzen bzw. Verschweißen bei einer gegenüber Fig. 4 geänderten Vorgehensweise.
Der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher besteht aus Austauscherrohren 1, die nach Art eines Paketes parallel zueinander angeordnet sind. In Fig. 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich zwei solcher Austauscherrohre 1 dargestellt.
Fig. 1 läßt erkennen, daß der Querschnitt der Austauscherrohre 1 für den Durchtritt eines der am Wärmeaustausch beteiligten Medien eine im Verhältnis zur Höhe H große Breite B aufweist. Die Längskanten des so gebildeten Austauscherrohres 1 sind gerundet, so daß sich insgesamt der Querschnitt eines langgestreckten Ovals ergibt.
Das jeweils andere Medium wird im Kreuzstrom über die äußeren Flachseiten 2 der Austauscherrohre 1 geführt. Um den Wärmeaustausch zu verbessern, sind zur Vergrößerung der wirksamen Wärmeaustauschflächen auf den jeweiligen Flachseiten 2 der beteiligten Austauscherrohre 1 Rippen 3 angeordnet. Die Rippen 3 werden aus einem endlosen Blech durch wiederholtes Biegen hergestellt, so daß, in Längsrichtung des Austauscherrohres 1 betrachtet, die Rippen 3 sich mäanderförmig aneinanderreihen. Dies ist besonders gut in Fig. 2 zu erkennen.
Die Mäandrierungen des so gebildeten Rippenbandes 4 sind, wie ebenfalls Fig. 2 erkennen läßt, rechteckförmig gestaltet, so daß die dem Austauscherrohr 1 zugewandten sowie die dem Austauscherrohr 1 abgewandten Umlenkungen 5 jeweils ebene Flächen 6 bilden. Dabei dienen die Flächen 6 einer besonders guten Verbindung des Rippenfußbereiches mit der Flachseite 2 des Austauscherrohres 1. Als Material für das Rippenband 4 eignet sich z.B. Stahlblech mit einer Dicke von 0,1 bis 0,4 mm, welches beidseitig mit einer dünnen Aluminiumschicht platiert ist.
Die aus dem mäanderförmig umgelenkten Rippenband 4 bestehenden Rippen 3 befinden sich jeweils auf beiden Seiten der Austauscherrohre 1. Die so gestalteten Austauscherrohre 1 lassen sich dann zu beliebigen Paketen zusammensetzen, wobei die Befestigung sowie Beabstandung der einzelnen Austauscherrohre 1 zueinander an deren Enden erfolgt. Hierbei sollen die Umlenkungen 5 am Ende der Rippe 3 einen möglichst geringen Abstand zu den gegenüberliegenden Umlenkungen 5 des benachbarten Austauscherrohres 1 aufweisen. Der Abstand darf allerdings nicht so gering sein, daß die Gefahr einer Berührung zwischen den Rippen 3 der einander benachbarten Austauscherrohre 1 besteht.
Zur Verbindung des Rippenfußbereiches mit der Flachseite 2 des Austauscherrohres wird ein Kondensator-Entladungs-Schweißverfahren verwendet, welches nachfolgend anhand der Figuren 3,4 und 5 erläutert wird.
Bei dem Kondensator-Entladungs-Schweißen handelt es sich um eine spezielle Art des Widerstandsschweißens, bei dem die erforderliche Energie während des Schweißens nicht direkt dem Netz über einen Transformator entnommen wird, sondern einer Kondensatorbatterie, die als Energiespeicher außerhalb der Schweißzeit geladen wird. Der Vorteil des Kondensator-Entladungs-Schweißens besteht in der Eignung zur Verwendung auch unterschiedlicher Werkstoffe, z.B. Stahl/Aluminium. Außerdem lassen sich mit diesem Verfahren auch oberflächenbehandelte Materialien schweißen, wie z.B. verzinkte oder aluminisierte Bleche, ohne daß es zu einer Beschädigung der Oberfläche kommt.
Das Kondensator-Entladungs-Schweißverfahren verwendet zwei voneinander unabhängige Elektroden 7,8. Beim Ausführungsbeispiel ist die obere Elektrode 7 fünffach vorhanden und besteht aus scheibenförmig gestalteten Einzelelektroden aus einem geeigneten Elektrodenwerkstoff, z.B. CuCrZr. Die untere Elektrode 8 ist als Platte ausgebildet, welche sich über die gesamte Breite des Austauscherrohres 1 erstreckt und hierbei exakt dessen Innenprofil aufweist. Auf diese Weise dient die untere Elektrode 8 zugleich der Führung des Grundkörpers des Austauscherrohres 1 während des Schweißvorganges. Insbesondere aber bildet die untere Elektrode 8 ein Widerlager für die von den oberen Elektroden 7 erzeugten Andrückkräfte. Hierzu ist die untere Elektrode 8 in geeigneter Weise unter Zwischenlage einer Isolierung an dem verwendeten Schweißgerät abgestützt. Die Ausrichtung der oberen Elektroden 7 ist derart, daß diese mit ihren schmalen Stirnflächen exakt zwischen zwei benachbarte Rippen 3 einfahren können, bis sie an dem dazwischen angeordneten Rippenfußbereich an der Innenseite der Fläche 6 zur Anlage gelangen. Federelemente 7a bewirken hierbei eine definierte Andrückkraft, die von der als Widerlager dienenden unteren Elektrode 8 aufgenommen wird. Sobald das vorgegebene Druckniveau erreicht ist, werden die Kondensatoren des Schweißgerätes entladen, wodurch kurzzeitig eine hohe Energie von den oberen Elektroden 7 zu der unteren Elektrode 8 fließt. Infolge der Konzentrierung der Schweißenergie auf die Schweißzone sowie der sehr kurzen Schweißzeit von 1 bis 10 Millisekunden, tritt keine nennenswerte Erwärmung der Bauteile auf. Die fertigen Wärmetauscherteile kommen nach der Verschweißung praktisch kalt aus der Maschine, bleiben daher formbeständig und zeigen keine Neigung zu Verzug oder Formänderung.
Durch die Verwendung mehrerer unabhängiger oberer Elektroden 7 wird erreicht, daß geringfügige Durchbiegungen ausgeglichen werden und eine linienförmige, durchgehende Verschweißung der Rippen 3 mit der jeweiligen Flachseite 2 des Austauscherrohres 1 eintritt.
Die Figuren 4 und 5 zeigen Austauscherrohr 1 und Rippen 3 unmittelbar vor deren Zusammenfügen, wobei die zueinander in Kontakt kommenden Oberflächen mit einer im Rapport gestalteten Oberflächenstruktur versehen sind. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist die außenliegende Flachseite 2 des Austauscherrohres 1 mit einer feinen, gleichmäßigen Riffelung 8 mit Rillentiefen von ca. 0,1 bis 0,3 mm versehen. Demgegenüber befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 die im Rapport gestaltete Oberflächenstruktur an der Unterseite der Rippenfußbereiche, d.h. im Bereich der Umlenkung 5. Diese sind hierzu mit Einprägungen in Gestalt nach unten vorstehender Buckel oder Erhebungen 8a versehen.
Die Wirkung ist in den in den Figuren 4 und 5 gezeigten Fällen jeweils dieselbe: Nachdem die zu verbindenden Teile aufeinanderliegen, findet zunächst ein unmittelbarer metallischer Kontakt zwischen den beteiligten Oberflächen nur im Bereich der betreffenden Erhebungen 8a statt. Hierdurch entstehen hinsichtlich ihrer Lage und Ausdehnung genau definierte metallische Brücken, über die sich die von den Elektroden 7,8 freigesetzte Schweißenergie zunächst abbaut. Durch den schlagartig einsetzenden Schmelzprozeß werden diese Erhebungen abgebaut, so daß nach vollständiger Entladung eine besonders gleichmäßige Schweißverbindung entsteht. Diese Schweißverbindung ist insbesondere besser als sie im Fall der Verschweißung zufällig aufgerauhter Oberflächen wäre.
In Fig. 3 ist das Rippenband 4 als durchgehendes, mäanderförmig gefaltetes Blech ohne weitere Strukturen dargestellt. Es handelt sich hier allerdings um eine zur Erläuterung der Erfindung gewählte, vereinfachte Darstellung. Im Rahmen der Erfindung bilden die Rippen keine über ihre gesamte Länge geschlossenen Kanäle, sondern sie sind in gleichmäßigen Abständen mit Öffnungen 9 versehen, wie dies die exakten Darstellungen Fig. 1, Fig. 2, Fig. 4 und Fig. 5 zeigen. Diese Öffnungen 9 sind im Bereich der der Flachseite 2 des Austauscherrohres 1 abgewandten Umlenkungen 5 angeordnet, d.h. im Bereich des Endes der Rippen. Über diese Öffnungen 9 kann ein Stoffaustausch mit dem die Rippen 3 des jeweils benachbarten Austauscherrohres 1 durchströmenden Medium stattfinden.
Die Wirkungsweise wird nachfolgend anhand der Fig. 1 erläutert: Die Strömungspfeile A verdeutlichen den Strömungseintritt in den Bereich der Rippen. Nun befindet sich aber in einer der Querschnitte eine Verschmutzung S. Da ein Durchtritt der Strömung in diesem Bereich nicht möglich ist, würde bei einem Wärmetauscher der bekannten Art die Durchströmung dieses Querschnittes vollständig unterbunden sein. Infolge der erfindungsgemäß vorgesehenen Öffnungen 9 hingegen kann die Strömung den Weg einer Umlenkung U gehen. Hierbei tritt die Strömung über die vor dem Hindernis angeordnete Öffnung 9 in jenen Querschnitt über, der durch die Rippen 3 des jeweils benachbarten Austauscherrohres 1 gebildet wird. Hier findet dann eine entsprechende Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit statt. Nach der Umgehung des Hindernisses kann ein Teil der Strömung dann wieder über die nachfolgende Öffnung 9 in den ursprünglichen Querschnitt zurückströmen, so daß die Strömung den Wärmetauscher letztlich gleichmäßig verläßt.
Die beschriebene Wirkung ist dann sichergestellt, wenn der Öffnungsquerschnitt jeder der Öffnungen 9 mindestens die Größe des durchströmten Querschnittes Q zwischen zwei benachbarten Rippen 3 aufweist.
Die einzelnen Rippen 3 sind mit zusätzlichen geometrischen Strukturen versehen, die dazu dienen, das hindurchströmende bzw. vorbeiströmende Medium zu durchmischen oder Turbulenzen zu erzeugen. Hierzu sind in den Seitenflächen der Rippen 3 u.a. Ausprägungen 10 in Gestalt seitlicher Ausbuchtungen vorgesehen, die sich abwechselnd zur einen sowie zur anderen Seite der jeweiligen Rippe 3 erstrecken. Diese Ausprägungen 10 bewirken eine beträchtliche Turbulenzerhöhung des vorbeiströmenden Mediums. Um einen Austausch zwischen dem jeweiligen Rippeninnenraum und dem benachbarten Rippenaußenraum zu erreichen, sind außerdem zusätzliche Öffnungen 11 vorgesehen. Diese befinden sich in den Seitenflächen der Rippen 3 im Bereich des Rippenfußes. Ihr Öffnungsquerschnitt ist deutlich kleiner als der Öffnungsquerschnitt der Öffnungen 9, insbesondere geringer als die Größe des durchströmten Querschnittes Q zwischen zwei benachbarten Rippen 3. Fig. 1 läßt erkennen, daß sich die zusätzlichen Öffnungen 11 jeweils auf halber Länge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Öffnungen 9 befinden.
Bezugszeichenliste
1
Austauscherrohr
2
Flachseite
3
Rippe
4
Rippenband
5
Umlenkung
6
Fläche
7
Elektrode
7a
Federelement
8
Elektrode
8a
Buckel, Erhebung
9
Öffnung
10
Ausprägung
11
zusätzliche Öffnung
B
Breite des Austauscherrohres
H
Höhe des Austauscherrohres
A
Strömungspfeil
S
Verschmutzung
U
Umlenkung
Q
durchströmter Querschnitt

Claims (8)

  1. Wärmetauscher aus mehreren parallel zueinander angeordneten Austauscherrohren (1), deren Querschnitt für den Durchtritt eines der am Wärmeaustausch beteiligten Medien eine im Verhältnis zur Höhe (H) große Breite (B) aufweist und die zur Bildung einer Vielzahl von rechtwinklig zur Längsrichtung des Austauscherrohres (1) verlaufenden Strömungskanälen für das andere am Wärmeaustausch beteiligte Medium auf beiden Flachseiten (2) mit Rippen (3) aus einem mehrfach umgelenkten, Öffnungen aufweisenden und am Austauscherrohr (1) befestigten Rippenband (4) versehen sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Öffnungen (9) im Bereich der zur Flachseite (2) der Austauscherrohre (1) parallelen Umlenkungen (5) der Rippen (3) mit jeweils mindestens der Größe des Strömungsquerschnittes des durch zwei benachbarte Rippen (3) des gleichen Austauscherrohres (1) gebildeten Strömungskanals ausgebildet sind.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Öffnungen (9) der Rippen (3) benachbarter Austauscherrohre (1) überdecken.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen der Rippen (3) im Bereich des Rippenfußes mit zusätzlichen Öffnungen (11) versehen sind, deren Öffnungsquerschnitte jeweils geringer sind als der Querschnitt der durch zwei benachbarte Rippen (3) gebildeten Strömungskanäle.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zusätzlichen Öffnungen (11) jeweils auf halber Länge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Öffnungen (9) befinden.
  5. Wärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rippenband (4) etwa rechteckförmig gefaltet ist, so daß die Umlenkungen (5) ebene Flächen (6) zur Anlage an den Flachseiten (2) des Austauscherrohres (1) bzw. an entsprechend gestalteten Flächen des Rippenbandes (4) des benachbarten Austauscherrohres (1) bilden.
  6. Wärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch teils abgesenkt, teils erhaben geformte Ausprägungen (10) in den Seitenflächen der Rippen (3).
  7. Wärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rippenband (4) über eine linienförmige, durchgehende Verschweißung an den Flachseiten (2) des Austauscherrohres (1) befestigt ist.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschweißung des Rippenbandes (4) mit der jeweiligen Flachseite (2) mittels eines Kondensator-Entladungs-Schweißverfahrens erfolgt.
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