DE1056631B

DE1056631B - Waermetauscherrohr und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1056631B
Application number: DEB40312A
Authority: DE
Inventors: Oral S Welsh
Original assignee: Brown Fintube Co
Current assignee: Brown Fintube Co
Priority date: 1955-05-31
Filing date: 1956-05-19
Publication date: 1959-05-06
Also published as: GB782631A; US2930405A

Description

DEUTSCHES

I Behürdenslgentum

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscherrohre mit Innenrippen sowie auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Rohre.

Insbesondere richtet sich die Erfindung auf Wärmetauscherrohre mit getrennt hergestellten, in Längsrichtung verlaufenden Rippen, die vorzugsweise mit der Innenoberfläche des Rohres mittels eines Lötvorganges verbunden sind, wobei alle Lötverfahren, wie Weichlöten, Hartlöten, Kupferlöten, Wasserstofflöten usw., zur Anwendung gelangen können.

Allgemein richtet sich die Erfindung auf die Schaffung eines Wärmetauscherrohres mit getrennt hergestellten, in Längsrichtung verlaufenden Innenrippen sowie ein verbessertes und wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung solcher Rohre. Insbesondere sollen nach der Erfindung Wärmetauscherrohre geschaffen werden, wobei die in Längsrichtung verlaufenden Innenrippen aus einer Anordnung aus Rippengliedern bestehen, die fest und elastisch gegen die Innenfläche des Rohres angedrückt werden. Der Basisteil der Rippenglieder wird dabei auf die Innenoberfläche des Rohres aufgelötet wobei gegebenenfalls auch die Rippenteile benachbarter Rippenglieder miteinander verlötet werden.

Wärmetauscherrohre mit getrennt hergestellten Innenrippen eignen sich für viele Zwecke, jedoch ist die Herstellung solcher Rohre, insbesondere bei Rohren kleiner Abmessungen, schwierig und teuer. Für einen wirkungsvollen Wärmeaustausch müssen die Innenrippen fest mit der Innenoberfläche des Rohres über die Gesamtlänge der Rippenglieder verbunden werden, so daß ein kontinuierlicher metallischer Leitweg für den Wärmeübertragungsvorgang entsteht. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise durch Verlöten, und zur Herstellung einer guten Lötverbindung müssen beim Aufbringen der Lötwärme die miteinander zu verbindenden Oberflächen fest aneinandergedrückt werden. Es ist schwierig, getrennte Rippenglieder mit der Innenoberfläche des Rohres beim Lötvorgang in Berührung zu halten, wobei diese Schwierigkeit noch durch Schwankungen des Durchmessers und der Rundung des Rohres verstärkt ₍wird. Bei mit Innenrippen versehenen Rohren ist es außerdem sehr schwierig, die Rippen genau im Abstand zu halten. Dies ist jedoch wichtig, weil ein nicht gleichmäßiger Abstand zu einer ungleichmäßigen Wärmeübertragung der Rohre führt.

Es sind bereits Wärmeaustauschrohre mit innenliegenden Rippengliedern bekannt, die parallel zur Rohrachse verlaufen, die mit ihren Basisteilen im Innenbereich des Rohres so zusammenstoßen, daß sie einen Mittelkanal und ringförmig hierum angeordnete Seitenkanäle aus dem Rohrinneren herausscheiden. Dies ist erforderlich, damit die einzelnen Rippenglie-Wärmetauscherrohr
und Verfahren zu seiner Herstellung

Anmelder:

Brown Fintube Company,
Elyria, Ohio (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. R. H. Bahr

und Dipl.-Phys. E. Betzier, Patentanwälte,

Herne (Westf.), Freüigrathstr. 19

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Mai 1955

Oral S. Welsh, Elyria, Ohio (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

der während des Befestigungsvorgangs, durch einen Stab abgestützt, richtig an ihrem Platz gehalten werden. Diese bekannten Rippenglieder liegen nur mit geringen streifenförmigen Zonen an der Innenfläche der Rohre an, wodurch die Befestigung an der Rohrwandung sehr erschwert und ein guter Wärmeübergang verhindert wird. Dadurch, daß die, Rippenglieder aus dem Rohrvolumen einzelne voneinander getrennte Kanäle herausschneiden, sind sie für viele Anwendungsfälle, bei denen es erforderlich ist, daß der gesamte innerhalb des Rippenrohres zur Verfügung stehende Raum einen einzigen Kanal bildet, unbrauchbar.

Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Wärmeaustauschrohr mit einer Vielzahl von getrennt hergestellten, in Längsrichtung verlaufenden, profilförmigen, an der Innenoberfläche befestigten, z. B. angelöteten Rippengliedern, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenglieder einen der Innenoberfläche des Rohres angepaßten Basisteil mit von dessen Kanten vorstehenden Rippenteilen aufweisen, die miteinander in Berührung stehen und sich derart gegenseitig abstützen und gegebenenfalls untereinander verlötet sind.

Hierdurch ist sichergestellt, daß die Rippe/i den richtigen Abstand innerhalb des Rohres aufweisen und ein guter Wärmeübergang von dem Rohr auf die Rippen stattfindet. Die Anordnung ist ferner so getroffen, daß keine innensitzenden Klammern, Befestigungen oder anderen Vorrichtungen nötig sind, um die

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Rippen während des Verbindend mit der Rohrwandung an Ort und Stelle zu halten. Die Rippenteile stehen miteinander im Eingriff und halten sich selbst und die Basisteile an der Innenwandung des Rohres fest, so daß der Lötvorgang ohne Schwierigkeiten und, was von besonderer Bedeutung ist, mit einer guten Birfdung zwischen den sich berührenden Bereichen durchgeführt werden kann. Ferner bleibt durch die ernndungsgemäße Anordnung ein einziger zusammenhängender Kanal im Inneren des Rohres erhalten.

Das Verfahren zur Herstellung der erfindongsgemäßen Wäumetauscherrohre besteht darin, daß man in ein Rohr eine Vielzahl der Rippenglieder einsetzt, wobei die Gesamtbreite der Basisteile im wesentlichen dem Innenumfang des Rohres entspricht. Bei diesem Einsetzen der Rippenglieder in das Rohr kommen die Basisteile mit der Innenoberfläche des Rohres in Berührung, und die Rippenglieder werden durch von ihnen selbst gegenseitig ausgeübte Kräfte gehalten.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer, mit Innenrippen versehener Rohre dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, mit Innenrippen versehenen Rippenrohres,

Fig. 2 einen Teil eines Rippengliedes in einer Herstellungszwischenstufe,

Fig. 3 einen Teil eines fertigen Rippengliedes,

Fig. 4 eine Vorderansicht einer Gruppe von in ein Rohr eingesetzten Rippengliedern mit dem sie haltenden Innendorn,

Fig. 5, 6 und 7 Vorderansichten verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Rohre.

Gemäß Fig. 1 ist das Wärmetauscherrohr 10 nach der Erfindung mit einer Vielzahl von Profilrippengliedern 11 versehen. Jedes Rippenglied besteht aus einem Paar Rippenteilen 12 und einem Basisteil 13, der auf die Innenfläche 14 des Rohres 10 aufgelötet wird. Die Rippenglieder erstrecken sich in der Längsrichtung des Rohres und liefern so eine vergrößerte Wärmeaustauschoberfläche, ohne den Strömungswiderstand des durch das Rohr strömenden Mediums merklich zu vergrößern. Die Lötverbindung zwischen den Basisteilen 13 der einzelnen Rippenglieder 11 und der Innenfläche 14 des Rohres liefern eine wesentliche metallische Wärmeübergangsfläche zwischen den Rippengliedern und dem Rohr, so daß ein ausreichender Wärmeübergang zwischen den Rippengliedern und dem Rohr sichergestellt ist. Die Außenoberflächen der Rippenteile 12 benachbarter Rippenglieder sind vorzugsweise miteinander verlötet, so daß die sich berührenden Rippenteile als Einzelrippe wirken.

Wie aus Fig. 1, 2 und 3 hervorgeht, ist der Basisteil 13 der Rippenglieder 11 bogenförmig ausgebildet, so daß die Außenoberflächen: des Basisteiles im wesentlichen mit der Innenoberfläche des Rohres übereinstimmen. Die Basisteile sind so breit, daß beim Zusammenbau einer Gruppe von Rippengliedern zu einem Ring die Anordnung genau in die Innenoberfläche des Rohres paßt, wobei die benachbarten Rippenteile sich berühren. Dies erfolgt dadurch, daß man die Gesamtbreite der Basisteile der Rippenglieder im wesentlichen gleich dem Innenumfang des Rohres macht oder, falls die Rippenglieder alle die gleiche Breite aufweisen, dadurch, daß man die Grundteile so breit macht, daß der bei a-a in Fig. 3 angedeutete Bogen im wesentlichen gleich dem Innenumfang des Rohres dividiert durch die Anzahl der in das Rohr einzubauenden Rippenglieder ist. Aus Fig. 1 ergibt sich, daß sich die Rippengliederkonstruktion innerhalb des Rohres selbst abstützt. Die Rippenteile erstrecken sich radial nach ihnen vom Basisteil 13.

Die Rippen werden vorzugsweise durch Walzen aus einem flachen Blech hergestellt. Beim ersten WaIzdurchgang entsteht das in Fig. 2 dargestellte Profil. Die Walzen geben dem Basisteil 13 mit ziemlicher Genauigkeit die gewünschte Bogenform und Breite, jedoch lassen sich die Rippenteile 13 im ersten Walzdurchgang nur schwer gegeneinander neigen.

w>. Nach der ersten Stufe werden die Rippenglieder daher zweckmäßig einer zusätzlichen Arbeitsetufe ebenfalls vorzugsweise mit Hilfe von Walzen unterworfen, wobei die Rippenteile 12, wie aus, Fig. 3 erkenntlich,, aufeinander zu gebogen werden.. Der Radius

«5 der Krümmung des Basisteiles 13 entspricht dabei im wesentlichen dem Innenradius des Rohres mit Krümmungsmittelpunkt c. Beim zweiten Walzdurchgang werden jedoch die- Rippenteile 12 nicht so weit aufeinander zu gebogen, daß' sie genau radial verlaufen, sondern nur so weit, daß ihre Ebenen sich in einem Abstand von dem Basisteil 13 treffen, der größer als der Radius des Rohres ist. In den Zeichnungen ist beispielsweise die Schnittebene der Rippenteile bei d angedeutet, während' im fertigen Rohr die Ebenen der

as Rippenteile sich annähernd bei c schneiden. In der Praxis ist der Abstand zwischen den Punkten c und d sehr klein,

Beim Zusammenbau mehrerer Rippenglieder zu einem Ring ist. also der Radius der Anordnung etwas größer als der- Krümmungsradius des Basisteiles und größer als der- Innenradius des Rohres, Um diese Anordnung in das Rohr einbauen zu können, müssen die Rippenteile jedes Rippengliedes aufeinander zu gebogen werden, da-ßi sie schließlich die radialen Stellungen nach den: Fig.. 1 und 4 einnehmen. Infolge des erforderlichen! Biegens der Rippenglieder aufeinander zu ergibt sich ein fester elastischer Kontakt zwischenden Rippenteil en. Die Rippenglieder werden dabei konstant nach außen und fest gegen die Innenoberfläche des Rohres 10 gedrückt.

Um die Rippenglieder in das Rohr einsetzen zu können·, wird die erforderliche Anzahl solcher Glieder vorzugsweise auf einem Dorn 16 angeordnet, dessen Außendurchrnesser mit dem Innendurchmesser des

45- Kreises übereinstimmt, der durch die Innenkanten 17 der Rippeßteile definiert ist. Die Rippenglieder werden an einem Ende der Anordnung durch eine entsprechende Klammer oder ein entsprechendes trichterförmiges Führungsglied zusammengepreßt, so daß sie

50, ohne Schwierigkeiten zusammen mit dem Dorn in das Rohr eingeführt werden können. Nun werden der Dorn und die Rippenglieder in das Rohr eingestoßen, und es entsteht die Anordnung nach Fig. 4. Dann wird der Dorn aus dem Rohr herausgezogen.

Da sich die Rippenglieder innerhalb des Rohres selbst tragen, bildet der anschließende Lötvorgang kein besonderes Problem mehr. Werden Eisenrohre und Eisenrippenglieder verwendet, so erhält man mit Kupferlötung ausgezeichnete Resultate. Zur Ausführung der Kupferlötung werden die Oberflächen von Rohr und Rippengliedern vor dem Einbau gereinigt und das Kupfer auf die Kontaktflächen dieser Teile aufgebracht. Dies kann man beispielsweise in der Weise durchführen, daß man die Rippenglieder und/ oder das Rohr kupferplattiert, indem-man. metallisches Kupfer in Form einer Paste oder eines Pulvers auf die miteinander zu verbindenden Oberflächen aufbringt oder Kupferdrähte in die Zwischenräume 18, die zwischen den Basisteilen und benachbarten Rippenteilen verbleiben, einführt. Das Löten erfolgt durch

Efhöhen der Temperatur auf den gewünschten Wert, vorzugsweise in einer an sich bekannten reduzierenden Atmosphäre.

Für Nichteisenrohre werden Silberlote oder Messinglote bevorzugt, Dazu werden die Außenoberflächen der Basisteile und der Rippenteile der Rippenglieder verzinnt, Flußmittel auf die Oberflächen aufgegeben und die verzinnten Oberflächen mit Flußmittel in das Rohr eingesetzt. Die Anordnung wird dann auf die Löttemperatur erhitzt und anschließend wieder gekühlt. Das Erhitzen erfolgt beispielsweise durch Einsetzen der Gesamtanordnung in einen Ofen, durch fortschreitendes Erhitzen des Rohres mit Hilfe eines Gas- oder elektrischen Heizelementes auf der Innenseite des Rohres, mit Hilfe eines Ringbrenners auf der Außenseite des Rohres oder durch Induktionserhitzung usw.

Wie ersichtlich, lassen sich die verschiedensten Arten von Rippengliedern und Kombinationen von Rippengliedern verwenden. Fig. 1 zeigt identische Rippenglieder mit Rippenteilen gleicher Breite, d. h. gleicher radialer Abmessungen. Für gewisse Zwecke können leichtere Rippen genügen, in solchen Fällen findet die Anordnung nach Fig. 5 Verwendung. Bei dieser Ausführungsform ist das Rohr 20 mit einer Vielzahl von Rippengliedern 21 versehen, die jeweils einen verhältnismäßig hohen Rippenteil 22, _t einen verhältnismäßig niedrigen Rippenteil 23 und einen Basisteil 24 aufweisen. Die Rippenglieder sind so angeordnet, daß der niedrige Rippenteil jedes Rippengliedes den hohen Rippenteil des benachbarten Rippengliedes berührt.

Der eben geschilderten Ausführungsform gleicht die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform. Hier ist das Rohr 30 mit abwechselnd angeordneten Rippengliedern 31 und 32 versehen. Die Rippenglieder 31 weisen Basisteile 33 und verhältnismäßig hohe Rippenteile 34 auf, während die Rippenglieder 32 Basisteile 35 und verhältnismäßig niedrige Rippenteile 36 besitzen. Die Rippenglieder 31 übernehmen hauptsächlich den Wärmeaustausch, da sie eine größere Oberfläche als die Rippenglieder 32 aufweisen. Die Rippenglieder 32 vervollständigen die Anordnung, so daß sich die Rippenglieder selbst gegenseitig abstützen, wobei die kürzeren Rippenteile 35 eine Vergrößerung der Metallmasse für den Wärmeübergang an den Basisflächen der Rippen 33, wo der Wärmeübergang am größten ist, liefern.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist das Rohr 40 mit Rippengliedern 41 versehen, die im wesentlichen den Rippengliedern 21 nach Fig. 5 entsprechen, wobei jedes Rippenglied einen verhältnismäßig hohen Rippenteil 42, einen verhältnismäßig niedrigen Rippenteil 43 und einen Basisteil 44 aufweist. Bei dieser Ausführungsform berühren sich jedoch die hohen Teile 42 benachbarter Glieder miteinander, und auch die niedrigen Teile 43 benachbarter Glieder stehen miteinander in Berührung, so daß eine Anordnung mit abwechselnd hohen und niedrigen Rippenteilen entsteht. Konstruktionen dieser Art sind insbesondere dann von Bedeutung, wenn sich die Rippen bis zur Mitte des Rohres erstrecken sollen, aber verhindert werden soll, daß sich die Rippen selbst miteinander zu stark nähern.

Würden z. B. alle Rippenteile die gleiche Höhe wie die Rippenteile 42 gemäß Fig. 7 haben, so würden sie sehr eng in· der Rohrmitte zusammenlaufen. Dies würde zu einer Verschmutzung der Rippen bei gewissen Flüssigkeitsarten führen, und ebenso würde der Strömungswiderstand des Rohres wesentlich vergrößert werden. Bei einer Rohrkonstruktion nach Fig. 7 jedoch geben die abwechselnd breiten und schmalen Rippen einen ausgezeichneten Wärmeübergang ohne unzulässige Vergrößerung des Strömungs-Widerstandes, und der Abstand der Rippen ist groß genug, um eine Verschmutzung zu verhindern.

Es ist selbstverständlich, daß man auch Abänderungen der in Fig. 7 dargestellten allgemeinen Anordnung verwenden kann. So kann es beispielsweise in vielen

ίο Fällen wünschenswert sein, nur jede dritte oder vierte Rippe höher zu machen. Es ist auch selbstverständlich, daß die Höhe der Rippenteile in anderer Weise geändert werden kann, wenn es im Interesse des Wärmeaustausches wünschenswert ist.

Selbstverständlich kann man auch andere Anordnungen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, verwenden. So brauchen die Basisteile der Rippen nicht gleich zu sein, auch kann sich die Anzahl der Rippenglieder im Rohr ändern, wenn nur die Gesamt-

ao breite der Basisteile der Rippenglieder dem erforderlichen Umfang entspricht, so daß sich die Rippenglieder selbst gegenseitig abstützen. Die Breite der Rippenglieder kann zur Anpassung an verschiedene Forderungen geändert werden, und die Innenkanten der Rippenglieder brauchen nicht unbedingt einen Kreis zu definieren. Es ist auch möglich, auf den kreisförmigen Dorn zu verzichten. Der Dorn erhält die jeweils erforderliche Form, um die Rippenglieder abzustützen. Obwohl die Rippenglieder mit dem Rohr und miteinander zweckmäßig verlötet werden, kann es für manche Zwecke genügen, die Rippenglieder ausschließlich mit dem Rohr zu verlöten. Wo der Wärmeübergang eine geringere Rolle spielt, kann das Löten vollständig in Wegfall kommen, da die Anordnung der Rippenglieder sich selbst fest innerhalb des Rohres hält.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist deshalb von besonderer Bedeutung, weil es wirtschaftlich ausgeführt werden kann und keine zusätzlichen komplizierten Werkzeuge, Unterstützungen oder Befestigungsvorrichtungen benötigt. Die Rippenglieder halten sich selbst elastisch in ihrer Lötstellung, so daß keine übermäßige Genauigkeit bei der Herstellung der Rippenglieder zur Erreichung guter Lötergebnisse erforderlich ist; man benötigt auch keine übertriebene Genauigkeit beim Löten selbst. Die Rippenglieder können sich während des Lötvorganges nicht willkürlich verschieben, so daß der Abstand der Rippenteile immer gewährleistet ist.

Die erfmdungsgemäß hergestellten Rohre sind ausgezeichnete Wärmeaustauscher mit einer verhältnismäßig großen metallischen Verbindungsfläche zwischen den Rippengliedern und Rohr und wegen der Genauigkeit, mit der die Rippenglieder an Ort und Stelle gehalten werden. Das Verfahren selbst läßt sich den verschiedensten Rohrabmessungen anpassen. Schwere Rohre lassen sich entsprechend Fig. 1 herstellen, wo die Rippenglieder von wesentlicher Dicke sind und die Flansche benachbarter Rippenglieder sich berühren, so daß Rippen doppelter Dicke entstehen. Die Dicke der Rippen kann natürlich ebenso wie ihre Breite geändert werden. Die Anordnung nach Fig. 5 und 6 liefert Rippen von sich verjüngender Dicke, die einen ausgezeichneten Wärmeaustausch bei Metall gewährleisten.

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscherrohr mit einer Vielzahl von

getrennt hergestellten, in Längsrichtung verlaufenden, profilförmigen, an der Innenoberfläche des

Rdhres befestigten, z.B.angelötetenRippengliedern, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenglieder einen der Innenoberfläche des Rohres angepaßten Basisteil mit von dessen Kanten, vorstehenden Rippenteilen aufweisen, die miteinander in Berühr.ung stehen.

2. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenteile (12) jedes Rippengliedes (11) im wesentlichen die gleiche Höhe aufweisen (Fig. 1).

3. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenglieder (31, 32) im Rohr abwechselnd hohe (34) bzw. niedrige Rippenteile (36) aufweisen (Fig. 6).

4. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rippenteil der Rippenglieder (21, 41) verhältnismäßig hoch (22,

42) und der andere verhältnismäßig niedrig (23,

43) ist (Fig. 5 und 7).

5. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 4, da- ao durch gekennzeichnet, daß der hohe Rippenteil (22) jedes Rippengliedes (21) mit dem niedrigen Rippenteil (23) des benachbarten Rippengliedes in Berührung steht (Fig. 5).

6. Wärmetauscherrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Rippenteil (42) jedes Rippengliedes (41) mit dem breiten Rippenteil (42) des benachbarten Rippengliedes und der niedrige Rippenteil (43) mit dem schmalen Rippenteil des anderen benachbarten Rippengliedes in Berührung steht (Fig. 7).

7. Wärmetauscherrohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflachen jedes Rippengliedes elastisch auf die Außenflächen des Rippenteils des benachbarten Rippengliedes drücken.

8. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherrohren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl der Profilrippenglieder derart ausgewählt und zusammengebaut werden, daß die Gesamtbreite der Basisteile im wesentlichen dem Innenumfang des Rohres entspricht, worauf die Rippenglieder so in das Rohr eingesetzt werden, daß die Basisteile mit der Innenoberfläche des Rohres in Berührung stehen und sich gegeneinander über ihre Rippenteile abstützen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenglieder gespreizt in das Rohr eingesetzt werden und ihre Rippenteik elastisch aufeinanderdrücken.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Rippengliedern vor dem Einsetzen in das Rohr auf einen Dorn (15) aufgebaut und gemeinsam mit diesem Dorn in das Rohr eingeführt wird, worauf der Dorn aus dem Rohr herausgezogen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippenglieder mit dem Rohr und/oder miteinander verlötet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 897 256, 391 665.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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