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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit
den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Rippenrohrwärmetauscher
zählen
in unterschiedlichsten Bauformen zum Stand der Technik. Der Wärmeaustausch
erfolgt zwischen einer Flüssigkeit,
welche die berippten Rohre durchströmt und einem Gas, das die Rohre
außenseitig
umströmt. Über die
Rippen wird die Wärmetauscherfläche stark
vergrößert und
der Wärmeübergang
intensiviert. Die fluidführenden
Rohre werden in Rohrböden
fixiert, so dass das flüssige
Medium, von so genannten Wasserkammern ausgehend, in mehrere Rohre
gleichzeitig einströmen
kann.
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Es
ist bekannt, Rippenrohrpakete zu bilden, bei welchen mehrere fluidführende Rohre übereinander
gestapelte Rippenbleche gemeinsam durchsetzen. Die Fixierung der
Rippen an den Rohren erfolgt z. B. durch Aufweiten der Rohre, so
dass diese gegen die Öffnungen
in den Rippenrohrpaketen gepresst werden. Auf diese Weise lassen
sich in sehr kompakter Bauweise Wärmetauscher mit großen Oberflächen für verschiedenste
Anwendungsfälle
bereitstellen. Die Rohre können
auch mit den Rippenblechen verlötet
sein. Üblicherweise
werden dabei die sich gegenüberliegenden
Rohrböden über Seitenwände miteinander
verbunden, die zudem zur Luftführung
erforderlich sind. Um der gesamten Anordnung eine größere Stabilität zu verleihen,
können die
Seitenwände über Querträger, die
quer zur Rohrrichtung verlaufen und sich gewissermaßen parallel zu
den Rohrböden
erstrecken, miteinander verbunden werden.
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Die
Schwingungsanregung der Wärmetauscher
resultiert aus der Kopplung des Wärmetauschers mit schwingenden
Systemen. Insbesondere in Verbindung mit Generatoren oder allgemein
in Verbindungen mit elektrischen Systemen ergibt sich häufig eine
Schwingungsanregung von 50 Hertz oder 60 Hertz. Je nach Dimensionierung
des Wärmetauschers
kann diese Schwingungsanregung mit Eigenfrequenzen des Wärmetauschers
zusammenfallen, so dass sich Resonanzschwingungen ergeben. Diese
Schwingungen können
bei der Vielzahl der Verbindungsstellen zwischen den Rohren und
den Rippen relativ rasch zur Zerstörung der Rohre und damit zur Zerstörung des
gesamten Wärmetauschers
durch Leckage führen.
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Es
sind daher bereits Anstrengungen unternommen worden, die Schwingungen
dadurch zu dämpfen,
dass Querträger
die einzelnen Rippenrohrpakete fest gegeneinander pressen. Zwischen
den Querträgern
und den Rippenblechen kann zudem ein Dämpfungselement eingegliedert
sein, wie beispielsweise eine Dämpfungslage
aus einem Elastomer. Zusätzlich
kann in den Abstützungsbereich
zwischen dem Querträger
und den Rippenblechen hitzebeständiges
Silikon oder ein anderes elastisches Material in die Rippenzwischenräume eingebracht
werden, um die Abstützung
zwischen den Rippenblechen und dem Querträger zu verbessern.
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Anstelle
von Querträgern,
welche die Rippenrohrpakete von außen gegeneinander pressen, kann
auch ein Zwischenblech in das Rippenrohrpaket eingebracht werden.
Bei dem Zwischenblech handelt es sich quasi um ein sehr dickwandiges
Rippenblech, das, anders als die üblicherweise sehr dünnwandigen
Rippenbleche, direkt mit den Seitenwänden verschraubt werden kann.
Hierdurch erfolgt eine direkte Abstützung der Rohre und nicht nur
eine mittelbare Abstützung
der Rohre über
Querträger,
die unter Eingliederung von hitzebeständigen Silikonzwischenlagen
aufeinander gepresst werden.
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Dennoch
hat sich in der Praxis gezeigt, dass an Wärmetauschern zerstörerische
Schwingungen auftreten, insbesondere, wenn der Wärmetauscher im Zusammenhang
mit Verbrennungskraftmaschinen zum Einsatz kommt, da hier das Spektrum
der Anregungsfrequenzen auf Grund der unterschiedlichen Drehzahlen
und auf Grund von Drehzahlschwankungen wesentlich größer ist.
Zudem erfordert die Montage der Querträger besondere konstruktive
Maßnahmen
im Bereich der Seitenwände,
da diese eine definierte Anpresskraft im Unterstützungsbereich bereitstellen
sollen. Auch die Verwendung von Zwischenblechen zwischen den Rippenblechen
ist konstruktiv aufwändig,
da die Zwischenbleche eine Vielzahl von Bohrungen aufweisen müssen, die
bei dickwandigen Zwischenblechen auf Grund benötigter enger Toleranzen wesentlich
aufwändiger
herzustellen sind als bei dünnwandigen
Rippenblechen.
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Hiervon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine schwingungstechnische Abstützung für Rippenrohrwärmetauscher
aufzuzeigen, die eine verbesserte Unterstützung der Rippenrohrpakete
ermöglicht
und gleichzeitig einfach und kostengünstig realisierbar ist.
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Diese
Aufgabe ist bei einem Wärmetauscher mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher
ist ein so genannter Rippenrohrwärmetauscher,
in welchen gestapelt angeordnete Rippenbleche von mehreren fluidführenden
Rohren durchsetzt sind und so genannte Rippenrohrpakete bilden.
Die Enden der Rohre sind in bekannter Weise an den sich gegenüberliegenden
Rohrböden
befestigt, wobei sich zwischen den Rohrböden Seitenwände erstrecken. Insgesamt erhält der Wärmetauscher
dadurch eine rechteckige Konfiguration.
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Entscheidend
bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher
ist, dass die Seitenwände
unmittelbar oder mittelbar unter Eingliederung wenigstens eines
sich in Längsrichtung
der Seitenwände
ersteckenden Formschlusselements in formschlüssigem Eingriff mit den Rippenblechen
stehen. Dadurch, dass die gesamten Seitenwände bzw. an den Seitenwänden angeordnete
Formschlusselemente zur Unterstützung
der Rippenrohrpakete genutzt werden können, ergibt sich ein wesentlich
größerer Unterstützungsbereich
als er mit Querträgern
und aufwändig
herzustellenden Zwischenblechen realisiert werden könnte. Zudem
wirkt sich eine seitliche Abstützung
im Bereich der Seitenwände,
anders als bei großen
aufliegenden Querträgern,
nicht strömungsquerschnittsmindernd
aus.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
zusätzliche
Querträger
anzuordnen, um die Seitenwände
gegeneinander zu stabilisieren. Es ist allerdings ausreichend, die
Querträger
als Zugstangen oder Zuganker auszubilden, um dem gesamten Wärmetauscher eine
höhere
Steifigkeit zu verleihen. Der Querträger muss zudem keine bestimmte
Mindestquerschnittsfläche
mehr aufweisen, die sich bislang aus der maximal zulässigen seitlichen
Flächenpressung
der Rippenrohrpakete ergeben hat.
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Dadurch,
dass durch die Abstützung
der Rippenrohrpakete nunmehr eine hohe Anzahl von Rippenblechen
und insbesondere jedes Rippenblech des Wärmetauschers in mittelbarem
oder unmittelbarem formschlüssigen
Eingriff mit den Seitenwänden steht,
ergibt sich eine hervorragende Abstützung, da die frei schwingende
Länge des
Rippenrohrpakets, anders als bei punktueller Abstützung, auf
den Wert Null reduziert worden ist. Dadurch ändert sich die Eigenfrequenz
des gesamten Wärmetauschers.
Auf diese Weise ist es möglich,
die Eigenfrequenz des jeweiligen Rippenrohrsystems so einzustellen, dass sie
nicht im Bereich der an den vorgeschalteten Antriebsmaschinen zu
erwartenden Erregerschwingungen liegt.
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Im übertragenden
Sinne übernehmen
die einzelnen Rippenbleche im Rahmen der Erfindung die Funktion
von bislang verwendeten Querträgern oder
Zwischenblechen, so dass die frei schwingende Länge eines Rippenrohrpakets
im Wesentlichen auf dem Abstand zweier Rippenbleche beschränkt ist. Derart
geringe Abstände
und die damit verbundenen Eigenfrequenzen liegen jedoch außerhalb
des Anregungsbereichs heutiger Antriebsmaschinen, so dass die Gefahr
schwingungsinduzierter Schäden
derartig konfigurierter Wärmetauscher
stark reduziert wird.
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Der
formschlüssige
Eingriff mit dem Rippenblech kann über Nuten und Federn erfolgen,
die in den Seitenwänden
oder in den den Seitenwänden zugewandten
Rippenaußenkanten
ausgebildet sind, d.h. über
in Richtung des Rippenrohrpakets weisende Vorsprünge, die parallel zu den Rohren
verlaufen und sich von der üblicherweise
ebenen Seitenwand abheben. Bevorzugt befinden sich die Nuten in
den Rippenaußenkanten
und die Federn an dem Formschlusselement bzw. unmittelbar an der
Seitenwand. Die Verwendung eines Formschlusselements hat den Vorteil,
dass speziell konfigurierte Strangpressprofile zur formschlüssigen Abstützung der
Rippenrohrpakete kostengünstig
mit Seitenwänden
in Flachstahlbauweise kombiniert verwendet werden können. Zudem
können
die Formschlusselemente aus einem schwingungsdämpfenden Material bestehen,
wie beispielsweise aus Kunststoff. Unabhängig von der Materialwahl können zwischen
den Seitenwänden und
dem Formschluss und den Rippenaußenkanten bzw. zwischen dem
Formschlusselement und den Rippenaußenkanten zusätzliche
Dämpfungslagen
in Form von elastomeren Materialien angeordnet werden. Grundsätzlich ist
es auch denkbar, dass das Dämpfungselement
von dem Formschlusskörper selbst
gebildet wird.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Abstützung kommen
insbesondere dann zum Tragen, wenn als Nut eine aus dem Fertigungsprozess
ohnehin resultierende Ausnehmung in der Rippenaußenkante verwendet werden kann.
Dies ist der Fall, wenn die fluidführenden Rohre in jeder zweiten
Reihe versetzt zur ersten Reihe angeordnet sind, so dass sich bei
einem randseitigen Beschnitt des vorgelochten Rippenblechs immer
eine Nut ergibt, die einem Kreissegment entspricht. Als optimal
wird es angesehen, wenn die Nuten in den Rippenaußenkanten
derartig vorgefertigter, gelochter Rippenbleche halbkreisförmig konfiguriert
sind und auf Grund des Fertigungsverfahrens den gleichen Durchmesser
aufweisen wie die übrigen
vorgestanzten und von den Rohren durchsetzten Löcher in den Rippenblechen.
Je nach Anzahl der Rippen der Rohrreihen befinden sich in den Rippenaußenkanten
wenigstens eine, regelmäßig aber
mehrere fluchtende Nuten. In diese Nuten greift in der Einbaulage
in eine an die Kontur der Nuten angepasste Feder bzw. ein entsprechend
konfiguriertes Formschlusselement ein.
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Es
ist im Rahmen der Erfindung aber auch denkbar, dass der Eingriff
nicht an den Stirnseiten der Rippenrohrpakete, d.h. im Bereich der
Rippenaußenkanten
erfolgt, sondern, dass die Rippenrohrpakete sich über ihre
Ecken an den Formschlusselementen bzw. den Seitenwänden abstützen. Hierzu
ist vorgesehen, dass die Ecken der Rippenbleche um ca. 90° abgekantet
werden, so dass sich einander benachbarte Rippenbleche über die
abgekanteten Eckstücke
berühren
und an jeder Ecke des Rippenrohrpakets eine Fase bilden, welche
flächig
an Stützkonsolen
der Seitenwände
oder eines Formschlusselements abgestützt ist. Durch das Abkanten
der Ecken wird eine Eckfläche
geschaffen, die dazu geeignet ist, flächig an einer entsprechend
geneigten Stützkonsole
zur Anlage zu gelangen. Auf diese Art und Weise ergibt sich ein
keilförmiger
Verbund zwischen dem Rippenrohrpaket und den Seitenwänden bzw. dem
Formschlusselement. Wenn die Seitenwand fest an den Rippenrohrpaketen
anliegt, werden diese an den Seitenwänden bzw. Formschlusselementen
zentriert und dadurch gewissermaßen eingekeilt.
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Zwischen
den Stützkonsolen
sollten die Rippenaußenkanten
im Abstand zum Formschlusselement bzw. der Seitenwand verlaufen,
damit die Zentrierung des Rippenrohrpakets gegenüber der Seitenwand bzw. gegenüber dem
Formschlusselement sichergestellt werden kann.
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Der
besondere Vorteil dieser Art der seitlichen Fixierung der Rippenrohrpakete
ist darin zu sehen, dass eine seitliche Zustellung der Seitenwände bzw.
der Formschlusselemente herbeigeführt werden kann, um die Anpresskraft
der Seitenwände
exakt auf die jeweiligen Anforderungen einzustellen. Hierzu können die
Seitenwände über in der
Länge verstellbare
Zuganker miteinander verbunden sein. Selbstverständlich können derartige Zuganker auch
bei Nut-und-Feder-Anordnungen
vorgesehen sein, um den Formschluss zwischen dem Rahmen des Wärmetauschers
und den Rippenrohrpaketen auch bei starker Schwingungsanregung sicherzustellen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen
dargestellen Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers;
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2 einen
Wärmetauscher
im Längsschnitt aus
dem Stand der Technik in einer ersten Ausführungsform;
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3 einen
Längsschnitt
durch einen Wärmetauscher
aus dem Stand der Technik in einer weiteren Ausführungsform;
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4 im
Querschnitt einen Teilbereich eines Wärmetauschers in einer ersten
Ausführungsform;
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5 im
Querschnitt einen Teilbereich eines Wärmetauschers in einer zweiten
Ausführungsform und
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6 eine
Stirnansicht auf ein Rippenrohrbündel
mit abgekanteten Ecken.
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1 zeigt
einen Wärmetauscher 1 bekannter
Bauart. In diesem Fall handelt es sich um einen Ladeluftkühler. Der
Wärmetauscher 1 ist
rechteckig konfiguriert und wird in Richtung des Pfeils L von Luft durchströmt. Luft
strömt zwischen
einer Vielzahl von Rippenblechen 2 hindurch, die mit Rohren 3 verbunden
sind. Die Rohre werden von einem Fluid durchströmt. Bei einem Ladeluftkühler ist
das Fluid kühler als
die Luft, so dass sich der Luftstrom abkühlt und das Fluid erwärmt.
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Die
einzelnen Rohre 3 sind mit ihren Enden jeweils in einem
Rohrboden 5 festgelegt. Zwischen den Rohrböden 5 befindet
sich das von den Rippenblechen 2 und den Rohren 3 gebildete
Rippenrohrpaket 4. Parallel zu dem Rippenrohrpaket 4 erstrecken sich
Seitenwände 6, 7,
die mit den Rohrböden 5 verschraubt
sind.
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Wärmetauscher
dieser Bauart können
zur Schwingungsdämpfung
zusätzlich
mit massiven Querträgern
versehen werden, wie sie in 2 dargestellt
sind. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher.
Die Rohre 3' verlaufen
in der Bildebene von links nach rechts. Die einzelnen Rippenbleche 2' verlaufen in
der Bildebene von oben nach unten. Es ist zu erkennen, dass bei
diesem Wärmetauscher
zwei Rippenrohrpakete 4' übereinander
angeordnet sind. Zwischen den Rippenrohrpaketen 4' befindet sich
eine massive Mittelabstützung 8,
die unmittelbar an den Rippenblechen 2' der Rippenrohrpakete 4' anliegt. Das
Gegenstück
zu der Mittelabstützung 8 sind
Querträger 9,
die ober- und unterhalb der Rippenrohrpakete 4' angeordnet
sind und mit den Seitenwänden 6, 7 verschraubt
werden. Auf diese Weise wird eine Schwingung in diesem Unterstützungsbereich
unterbunden. Zur Dämpfung
können
zwischen dem Querträger 9 und
den Rippenblechen 2' Füllungen
aus hitzebeständigem
Silikon angeordnet sein. Bei dieser Art der Abstützung werden die Rohre 3' mittelbar über die
Rippen 2' und
das nicht näher
eingezeichnete Silikon abgestützt.
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Als
Alternative ist es bekannt, anstelle der Querträger 9 Zwischenbleche 10 vorzusehen,
die sich parallel zu den Rippenblechen 2' erstrecken und unmittelbar von
den Rohren 3' durchsetzt
werden. Auch auf diese Weise ist eine Unterstützung der Rippenrohrpakete 4' durch mehrfache
Anbindung des Zwischenblechs 10 der nicht näher dargestellten
Seitenwand 6 möglich
(3).
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Die 4 und 5 zeigen
Details von erfindungsgemäßen Wärmetauschern
zweier unterschiedlicher Ausführungsformen.
In 4 ist in der Draufsicht ein Randbereich eines
Rippenblechs 11 dargestellt, dessen Löcher 12 von den nicht
näher dargestellten
fluidführenden
Rohren durchsetzt werden. Es ist zu erkennen, dass das Rippenblech 11 in der
Einbaulage mit einer Seitenwand 13 formschlüssig in
Eingriff steht. Hierzu ist in der Seitenwand 13 zugewandten
Rippenaußenkante 14 eine
halbkreisförmige
Nut 15 ausgebildet, in welcher eine ebenso halbkreisförmige Feder 16 der
Seitenwand 13 eingreift. Die Feder 16 erstreckt
sich vorzugsweise über die
gesamte Länge
der Seitenwand 13 und steht daher mit sämtlichen Rippenblechen 11 in
formschlüssigem
Eingriff.
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Besonders
zweckmäßig bei
dieser Ausführungsform
ist, dass das mit den Löchern 12 vorgestanzte
Rippenblech 11 im Bereich eines mittig liegenden Loches 12 zugeschnitten
wird, so dass die halbkreisförmige
Nut 15 aus einem Loch ausgebildet wird. Es ist daher zur
Herstellung der Nut 15 kein separater Arbeitsschritt erforderlich,
vielmehr kann auf vorhergehende Fertigungsschritte zurückgegriffen werden.
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Selbstverständlich wäre es auch
möglich,
die Schneidkante des Rippenblechs 11 entlang der Linie S
verlaufen zu lassen, so dass zwei Löcher 12 als Nuten
ausgebildet werden. Dementsprechend müssten an der Seitenwand 13 zwei
Federn 16 vorhanden sein. Unabhängig davon, ob ein oder mehrere
Nuten bzw. Federn an den Rippenaußenkanten 14 vorgesehen
sind, handelt es sich bei der Ausführungsform der 4 und
davon abgewandelten Ausführungsformen
um einen formschlüssigen
Verbund, bei welchem ein Bauteil der Seitenwand 13 umgriffen
wird.
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Die
Ausführungsform
der 5 unterscheidet sich von derjenigen der 4 prinzipiell
dadurch, dass nicht die dort dargestelle Seitenwand 17 umgriffen
wird, sondern vielmehr das Rippenblech 11a. Um für eine hinreichende
Anlagefläche
der Rippenbleche 11a an der Seitenwand 17 zu sorgen,
sind die Ecken der Rippenbleche 11a um ca. 90° abgekantet,
so dass sich einander benachbarte Rippenbleche 11a, 11b über die
abgekanteten Eckstücke 18 berühren und
Fasen 19 bilden, welche in der Einbaulage flächig an
Stützkonsolen 20 der
Seitenwände 17 abgestützt sind. 6 zeigt
in schematischer Darstellung die Eckstücke 18 der einzelnen
Rippenbleche 11a, 11b, die sich überlappen
und daher die gewünschte Fase 19 ausbilden.
Auf die Darstellung der Rohre und etwaiger Ausstellungen der einzelnen
Rippen 11a, 11b wurde in 6 verzichtet.
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Bei
den in den 4 und 5 als Seitenwand 13, 17 bezeichneten
Bauteilen könnte
es sich auch um Formschlusselemente handeln, die als separate Bauteile
zwischen der Seitenwand und den Rippenblechen 11, 11a angeordnet
sind. Die Formschlusselemente können
aus einem schwingungsdämpfenden
Material, wie z. B. Kunststoff, hergestellt sein. Auch die Eingliederung
elastomerer Zwischenlagen zwischen der Seitenwand 13, 17 bzw.
dem Formschlusselement und den Rippenblechen 11, 11a ist
denkbar.
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Darüber hinaus
ist vorstellbar, dass bei sehr breiten Rippenrohrpaketen zusätzliche
Zwischenwände
vorgesehen sein können,
die sich parallel zu den Seitenwänden
erstrecken. In diesem Fall sorgen die Zwischenwände für eine zusätzliche Abstützung. Derartige
Zwischenwände
können
zudem beidseitig mit entsprechenden Formschlusselementen versehen
sein, wie beispielsweise mit Federn oder Stützkonsolen, wie sie beispielhaft
in den 4 und 5 dargestellt sind. Auf diese
Weise kann auch die Schwingungsdämpfung
bei sehr breit bauenden Kühlern
mit mehreren nebeneinander angeordneten Rippenrohrpaketen gewährleistet
werden.
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Rippenblech
- 2'
- Rippenblech
- 3
- Rohr
- 3'
- Rohr
- 4
- Rippenrohrpaket
- 4'
- Rippenrohrpaket
- 5
- Rohrboden
- 6
- Seitenwand
- 7
- Seitenwand
- 8
- Mittelabstützung
- 9
- Querträger
- 10
- Zwischenblech
- 11
- Rippenblech
- 11a
- Rippenblech
- 11b
- Rippenblech
- 12
- Loch
- 13
- Seitenwand
- 14
- Rippenaußenkante
- 15
- Nut
- 16
- Feder
- 17
- Seitenwand
- 18
- Eckstück
- 19
- Fase
- 20
- Stützkonsole
- L
- Pfeil
- S
- Schnittkante