Wärmeaustauscher

Abstract

 Ein Wärmeaustauscher umfaßt mindestens zwei im wesentlichen parallele Rohrteile (2), die an ihrer Außenseite mit Rippen (3) versehen sind und durch im wesentlichen bogenförmige Verbindungsstücke (5) kaskadenartig miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß sind die Rohrteile (2) und die Verbindungsstücke (5) in einem Gehäuse untergebracht, das zumindest eine mit Hohlräumen versehene Deckplatte (7) aufweist, wobei primäre Hohlräume (8, 8') zur Aufnahme von Rohrteilen (2) eingerichtet sind, und sekundäre Hohlräume (9) zur Aufnahme von Verbindungsstücken (5) eingerichtet sind. Dadurch erzielt man einen sehr guten Wärmeaustausch. Vorzugsweise weist das Gehäuse ferner eine gleichfalls mit primären und/oder sekundären Hohlräumen (8, 8', 9) versehene zusätzliche Deckplatte (7') auf, so daß die Hohlräume der Deckplatten (7, 7') im montierten Zustand einander gegenüberliegen. Es ist vorteilhaft, die Rohrteile (2) und die Verbindungsstücke (5) als Ganzes zu formen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher, der mindestens zwei im wesentlichen parallelen, an ihrer Außenseite mit Rippen versehene Rohrteilen umfaßt, die durch im wesentlichen bogenförmige Verbindungsstücke kaskadenartig miteinander verbunden sind. Ein derartiger Wärmeaustauscher ist aus der Praxis bekannt.

[0002] Bei bekannten Wärmeaustauschern werden die Rohrteile in einem Raum untergebracht, der von einem ersten Fluid wie etwa warme Gase durchströmt wird. Ein zweites Fluid, beispielsweise eine zu erwärmende Flüssigkeit wie Wasser, wird durch die Rohrteile geleitet. Die Rippen tragen zum Wärmeübergang zwischen dem ersten Fluid und den Rohrteilen bei.

[0003] Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei bekannten Wärmeaustauschern kein optimaler Wärmeaustausch stattfindet, wodurch Energie verlorengeht. Gefunden wurde, daß dies großteils durch unzulängliche Umströmung der Rohrteile verursacht wird, wodurch das erste Fluid, beispielsweise warme Gase, in unzureichendem Ausmaß mit der Oberfläche der Rohrteile in Berührung kommen.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend genannten sowie andere Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden und einen Wärmeaustauscher bereitzustellen, der eine bessere Umströmung der Rohrteile ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeaustauscher bereitzustellen, der einfach aufgebaut ist und wirtschaftlich hergestellt werden kann.

[0005] Erfindungsgemäß wird ein gattungsgemäßer Wärmeaustauscher daher dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrteile und die Verbindungsstücke in einem Gehäuse untergebracht sind, das zumindest eine mit Hohlräumen versehene Deckplatte aufweist, wobei primäre Hohlräume zur Aufnahme von Rohrteilen eingerichtet sind, so daß das Gehäuse einen Kanal umschließt mit einem Querschnitt, der an den Rohrteilen größer ist als zwischen den Rohrteilen.

[0006] Indem Hohlräume zur Aufnahme von Rohrteilen bereitgestellt werden, kann eine wirksame Umströmung dieser Rohrteile erreicht werden, wodurch sich ein sehr guter Wärmeaustausch erzielen läßt.

[0007] Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher so ausgelegt, daß mindestens ein erster primärer Hohlraum zur Aufnahme eines einzelnen Rohrteils eingerichtet ist. Dadurch wird das (erste) Fluid durch die Wände des primären Hohlraums um den einzelnen Rohrteil geleitet, wodurch man einen guten Kontakt zwischen dem Fluid und dem Rohrteil erzielt.

[0008] Vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher weiter so ausgelegt, daß mindestens ein zweiter primärer Hohlraum zur Aufnahme mehrerer Rohrteile eingerichtet ist. Dieser vergrößerte primäre Hohlraum kann beispielsweise einem Brenner gegenüberliegen, wodurch das vom Brenner kommende Fluid (wie warme Gase) die in diesem vergrößerten Hohlraum gelegenen Rohrteile gut umströmen kann.

[0009] Vorteilhafterweise weist eine erfindungsgemäße Deckplatte sekundäre Hohlräume auf, die zur Aufnahme von Verbindungsstücken eingerichtet sind. Dadurch können sowohl die Rohrteile als auch die Verbindungsstücke mittels Deckplatten umschlossen werden.

[0010] Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher ferner so ausgelegt, daß die sekundären Hohlräume jeweils zur passenden Aufnahme eines Verbindungsstücks eingerichtet sind. Durch die passende Aufnahme erreicht man, daß die Anordnung aus Rohrteilen und Verbindungsstücken innerhalb der Deckplatte oder Deckplatten eingeschlossen wird, wodurch eine einfache Montage ermöglicht wird.

[0011] Die mit Rippen versehenen Rohrteile und die Verbindungsstücke können gesondert hergestellt werden. Das erfordert jedoch eine große Zahl von Kopplungen zwischen den Verbindungstücken einerseits und den mit Rippen versehenen Rohrteilen andererseits. Da diese Kopplungen für die meisten Anwendungszwecke wasser- und gasdicht sein müssen, muß das Zusammenfügen der gesonderten Teile sorgfältig erfolgen, was zeitraubend und teuer ist.

[0012] Zwecks eines einfachen und robusten Aufbaus ist der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher daher vorzugsweise so ausgelegt, daß die Rohrteile und die Verbindungsstücke als Ganzes geformt sind.

[0013] Dazu ist zu bemerken, daß die Formung von Rohrteilen und Verbindungsstücken im Ganzen an sich aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 714 347 bekannt ist. Dabei handelt es sich aber nicht um einen Wärmeaustauscher mit mit Hohlräumen versehener Deckplatte. Außerdem erstrecken sich die Rippen dieses bekannten Wärmeaustauschers ausschließlich in Längsrichtung der Rohrteile.

[0014] Nachstehend sei die Erfindung anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

Figur 1 zeigt perspektivisch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers.

Figur 2 zeigt eine teilweise aufgebrochene Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers.

Figur 3 zeigt schematisch in Seitenansicht ein Rohr, aus dem der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher geformt werden kann.

Figur 4 zeigt schematisch in Seitenansicht das Rohr der Figur 3 nach einem ersten Bearbeitungsschritt.

[0015] Der in Figur 1 beispielhaft dargestellte Wärmeaustauscher 1 enthält eine Anzahl von Rohrteilen 2. In der wiedergegebenen Ausführungsform sind die Rohrteile 2 mit Rippen 3 versehen (der Übersichtlichkeit halber sind nicht bei allen Rohrteilen 2 Rippen dargestellt). Es können aber auch einzelne Rohrteile 2 ohne Rippen ausgeführt sein.

[0016] Untereinander sind die Rohrteile 2 jeweils durch Verbindungsstücke 5 verbunden, die in der wiedergegebenen Ausführungsform U-förmig sind. Die Kombination aus Rohrteilen 2 und Verbindungsstücken 5 bildet einen Wärmeaustauscher 1, durch den ein erstes Fluid, wie etwa ein warmes Gas, geführt werden kann, während ein zweites Fluid wie etwa Wasser durch den Wärmeaustauscher 1 geleitet werden kann. Am Ein- und Ausgang des Wärmeaustauschers 1 sind Stutzen 10 bzw. 11 an den betreffenden Rohrteilen befestigt, um das zweite Fluid durch den Wärmeaustauscher zu leiten.

[0017] Üblicherweise wird ein derartiger Wärmeaustauscher so gefertigt, daß erst gesonderte Rohrteile 2 geformt werden, welche dann mittels gesonderter Verbindungsstücke 5 aneinander gekoppelt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird der Wärmeaustauscher 1 jedoch im Ganzen aus einem einzigen Rohr gefertigt. Das wird später noch anhand der Figuren 3 und 4 näher erläutert.

[0018] Zum Einsatz etwa in Heizkesseln ist der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher 1 mit einer oder mehreren Deckplatten 7, 7' versehen. In der untersten Deckplatte 7 sind in der dargestellten Ausführungsform primäre Hohlräume 8, 8' und sekundäre Hohlräume 9 angebracht, in denen die Rohrteile 2 bzw. die Verbindungsstücke S untergebracht werden sollen. Dabei ist der zweite primäre Hohlraum 8' so geformt, daß er mehrere (im wiedergegebenen Ausführungsbeispiel vier) erste Rohrteile 2 gemeinsam aufnimmt, während die ersten primären Hohlräume 8 jeweils genau einen Rohrteil 2 aufnehmen. Die sekundären Hohlräume 9 sind in dieser Ausführungsform so ausgelegt, daß die Verbindungsstücke darin in Paßsitz, vorzugsweise in Klemmsitz angebracht sind. Das ermöglicht eine einfache und gezielte Montage der Deckplatten. In der obersten Deckplatte 7' sind gleichfalls Hohlräume 8, 8' und 9 zur Aufnahme der Rohrteile 2 bzw. der Verbindungsstücke 5 angebracht, wie auch eine Öffnung 12 zum Anbringen einer Brennerplatte. Die Öffnung 12 liegt gegenüber dem zweiten (primären) Hohlraum 8'. Erste primäre Hohlräume 8 und sekundäre Hohlräume 9 der Deckplatte 7' liegen den entsprechenden Hohlräumen der Deckplatte 7 gegenüber und bilden so die untereinander verbundenen Räume, in denen die Rohrteile 2 bzw. Verbindungsstücke 5 untergebracht werden. Dies wird später noch näher anhand von Figur 2 erläutert. Durch die Hohlräume 8 und 8' wird während des Betriebs ein erstes Fluid, wie etwa ein Gas, geführt, beispielsweise Rauchgase und/oder Warmluft. Wie Figur 1 zu entnehmen ist, sind die nicht der Öffnung 12 gegenüberliegenden Rohrteile 2 in Fließrichtung des Fluids hintereinander angeordnet.

[0019] Naturgemäß kann der Hohlraum 8' so ausgelegt sein, daß er weniger oder auch mehr (eventuell alle) Rohrteile 2 aufnimmt, beispielsweise drei oder acht Rohrteile 2. Möglich ist auch die Auslegung einer der Deckplatten 7 und 7' ohne die dargestellten Hohlräume 8 und 8' und mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt.

[0020] Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeaustausches liegen alle Rohrteile 2 in einer Ebene. Bei der Ausführungsform der Figur 2 ist dies nicht der Fall. Wie in Figur 2 dargestellt, liegen einige der mit Rippen versehenen Rohrteile 2 in einem Bogen um eine gekrümmtet Brennerplatte 13 herum. Die übrigen Rohrteile 2 liegen dabei freilich in einer Ebene. Auch in dieser Ausführungsform werden die Rohrteile 2 durch im Ganzen mit den Rohrteilen geformte Verbindungsstücke verbunden. Mit der Ausführungsform der Figur 2 erhält man einen Wärmeaustauscher mit einem im Ganzen gekühlten Brennerraum. Dadurch, daß die Rohrteile 2 in dieser Ausführungsform den Brennerraum 14 größtenteils umgeben, werden die Außenwände dieses Raums nur verhältnismäßig geringfügig erwärmt. Durch den so gebildeten, im Ganzen gekühlten Brennerraum wird der Einsatz von externer Kühlung oder anderen Wärmedämmmitteln weitgehend überflüssig.

[0021] Die in Figur 2 im Schnitt dargestellten Deckplatten 7 und 7' besitzen eine gewölbte Oberfläche. Durch die Wölbungen ergeben sich Hohlräume 8 und Ränder 6, die gemeinsam einen Kanal 4 für das (erste) Fluid bilden, mit einem Querschnitt, der zwischen den Rohrteilen kleiner ist als an den Rohrteilen 2. Dadurch wird das erste Fluid, wie etwa ein warmes Gas, nah an den Rohrteilen 2 entlanggeleitet. Wie Figur 2 zu entnehmen ist, sind die Deckplatten 7 und 7' größtenteils konturgetreu, das heißt der Form der Rohrteile 2 (und der Verbindungsstücke 5) angepaßt. Außerdem sind die Deckplatten 7 und 7' großteils komplementär geformt. Die Rohrteile 8 können praktisch in Paßsitz in den Hohlräumen 8 untergebracht werden, so daß das Fluid lediglich zwischen den Rippen (3 in Figur 1) durch die Rohrteile 8 strömen kann. Dadurch erzielt man einen sehr guten Wärmeaustausch.

[0022] In Figur 3 ist beispielhaft ein Rohr 20 dargestellt, aus dem, gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, der Wärmeaustauscher 1 der Figur 1 oder 2 gefertigt wird. Das Rohr 20, das vorzugsweise aus Metall, wie etwa Aluminium, gefertigt ist, ist wenigstens über einen Großteil seiner Länge mit Rippen 3 versehen. In dem dargestellten Beispiel ist das Rohr 20 über eine Distanz D2 von vornherein nicht mit Rippen versehen.

[0023] Ausgebildet werden können die Rippen 3 gegebenenfalls durch eine Fertigung des Rohrs 20 mittels Gießen, wobei die Rippen schon in der Gießform angebracht sind. Es kann das Rohr aber auch anfangs mit einer verhältnismäßig glatten Außenoberfläche versehen sein, während die Rippen nachträglich durch Bearbeitung des Rohrmaterials angebracht werden. Dabei können beispielsweise drei Walzenräder, die auf geeignetem Abstand voneinander angeordnet sind und zunehmende Einstechtiefen aufweisen, entlang des Rohrs 20 fortbewegt werden, während das Rohr 20 gedreht wird. Mittels dieses Umformungsprozesses (vorzugsweise Walzen) entsteht eine schraubenförmige Nut mit zwischen aufeinanderfolgenden Windungen der Nut gelegenen Rippen. Indem dieser Umformungsprozess periodisch unterbrochen wird, können rippenlose Rohrteile und/oder Verbindungsstücke gebildet werden.

[0024] Das Rohr 20 kann anfangs eine erheblich über die zur Fertigung eines Wärmeaustauschers benötigte Länge hinausgehende Länge aufweisen. Zuerst wird das Rohr 20 durch Sägen auf eine geeignete Länge gebracht. Dann werden die Rippen, wenn nötig, über jeweils einen Abstand D1 ganz oder teilweise entfernt, um Verbindungsstücke 5 zu bilden. Dabei kann beispielsweise an der auszubildenden Innenkurve mehr Material entfernt werden als an der auszubildenden Außenkurve. Auch werden die Rippen 3 über Abstände D2 an den Enden des Rohrs 20 entfernt, um Stutzen 10 zu bilden. Das Entfernen kann beispielsweise durch Fräsen, Drehen, Schleifen und/oder Schmirgeln erfolgen. So entsteht das in Figur 4 dargestellte Rohr 20. Naturgemäß werden bei dem Rohr 20 in der Praxis die Rippen in mehreren Bereichen über einen Abstand D1 entfernt, um Verbindungsstücke 5 zu bilden.

[0025] Schließlich wird das Rohr 20 der Figur 4 an den Verbindungsstücken 5 bei Umgebungstemperatur in die gewünschte Form, wie etwa eine Mäanderform, gebogen. Vorzugsweise erfolgt dieses Biegen so, daß die Rohrteile 3 nebeneinander zu liegen kommen, wie in Figur 1 dargestellt. Das Biegen kann auf bekannte Weise als "Kalt-"Biegen mit einem Dorn erfolgen. Vorzugsweise werden die Verbindungsstücke nach dem Biegen erwärmt ("Nachglühen"), um die in dem Material vorhandene Restspannung abzubauen.

[0026] So erweist es sich als auf einfache Weise möglich, das Rohr 20 der Figur 4 in die entsprechende Form zu biegen, so daß der Wärmeaustauscher der Figur 1 als Ganzes geformt werden kann.

Ansprüche

1. Wärmeaustauscher (1) der mindestens zwei im wesentlichen parallelen, an ihrer Außenseite mit Rippen (3) versehene Rohrteilen (2) umfaßt, die durch im wesentlichen bogenförmige Verbindungsstücke (5) kaskadenartig miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrteile (2) und die Verbindungsstücke (5) in einem Gehäuse untergebracht sind, das zumindest eine mit Hohlräumen versehene Deckplatte (7) aufweist, wobei primäre Hohlräume (8, 8') zur Aufnahme von Rohrteilen (2) eingerichtet sind, so daß das Gehäuse einen Kanal (4) umschließt mit einem Querschnitt, der an den Rohrteilen (2) größer ist als zwischen den Rohrteilen (2).

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein erster primärer Hohlraum (8) zur Aufnahme eines einzelnen Rohrteils (2) eingerichtet ist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein zweiter primärer Hohlraum (8') zur Aufnahme mehrerer Rohrteile (2) eingerichtet ist.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Deckplatte (7) sekundäre Hohlräume (9) aufweist, die zur Aufnahme der Verbindungstücke (5) eingerichtet sind.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die sekundären Hohlräume (9) jeweils zur passenden Aufnahme eines Verbindungsstücks (5) eingerichtet sind.

6. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ferner eine gleichfalls mit primären und/oder sekundären Hohlräumen (8, 8', 9) versehene zusätzliche Deckplatte (7') aufweist und daß die Hohlräume der Deckplatten (7, 7') im montierten Zustand einander gegenüberliegen.

7. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrteile (2) und die Verbindungsstücke (5) als Ganzes geformt sind.

8. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Rohrteile (2) in einer Ebene liegen.

9. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einige Rohrteile (2) nicht in einer Ebene liegen.

10. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrteile (2) gegenseitig so angebracht sind, daß die Enden ihrer jeweiligen Rippen (3) nahe beieinander liegen.

11. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (3) sich im wesentlichen quer zur Längsrichtung der Rohrteile (2) erstrecken.

12. Wärmeaustauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (3) mittels eines Umformungsprozesses, vorzugsweise Walzen, geformt worden sind.

13. Deckplatte (7) zum Einsatz in einem Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Zeichnung