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Wärmeaustauscher aus zwei ineinandergesteckten Rohren, in deren ringförmigem
Mantelraum zur Verwirbelung. dienende Einlagen vorgesehen sind Die Erfindung bezieht
sich auf Wärmeaustauscher aus zwei ineinandergesteckten Rohren, in deren ringförmigem
Mantelraum zur Verwirbelung dienende Einlagen vorgesehen sind und die insbesondere
dazu benutzt werden können, um Öl mittels Wasser zu kühlen, beispielsweise zum Kühlen
solchen Öles, das bei Fahrzeugen u. dgl. für automatisch arbeitende Leistungsübertragungsanlagen
in Verbindung mit Drehmomentumformern Verwendung findet.
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Die vorliegende Erfindung macht sich unter anderem zur Aufgabe, einen
Wärmeaustauscher zu schaffen, dessen Aufbau besonders einfach ist und der zugleich
eine höchstgedrungene Bauform bei geringstem Gewicht ergibt.
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Weiterhin zielt die Erfindung darauf hin, einen Wärmeaustauscher zu
schaffen, der in sich druckfest ist und bei dem die Verbindung zwischen den Wärmeaustauschwänden
und den Einlagen, die die Verwirbelung des durchströmenden Mittels verbessern und
zugleich die Wärmeaustauschfläche vergrößern, keinen durch die hohen Drücke in den
Kühlelementen entstehenden Festigkeitsbeanspruchungen unterworfen ist.
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Die Erfindung ermöglicht ferner einen Wärmeaustauscher, der sich in
eine Leitung, wie etwa eitle Radiator-Schlauchleitung, die aus einem beweglichen
Schlauch oder einer anderen. metallischen oder nichtmetallischen Leitung besteht,
einsetzen läßt.
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Schließlich wird mit der Erfindung eine Bauweise für einen Wärmeaustauscher
angestrebt, bei welcher unter konzentrischer Anordnung der Kühlerelemente die Möglichkeit
besteht, diese Elemente wahlweise im Reihen- oder Parallelfluß in den Strömungsweg
einzuschalten.
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Es ist bereits bekannt, einen Wärmeaustauscher aus zwei ineinandergesteckten
Rohren oder Mantelrohren herzustellen. Bei Wärmeaustauschern mit einem ringförmigen
Mantelraum waren auch bereits Mittel in dem Mantelraum vorgesehen, die in wärmeleitender
Verbindung mit dessen Wandungen stehen und das Medium durchwirbeln.
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Des weiteren sind auch Wärmeaustauscher bekanntgeworden, die in Wärmeaustauschkanäle
eingesetzte und zur Verbesserung der Wärmeübertragung sowie der zur Verwirbelung
dienende Einlagen, die aus mit Schlitzen versehenen Platten bestehen, deren zwischen
den Schlitzen liegendes Material abwechselnd nach links und rechts herausgebogen
ist, so daß die Platten aus aneinandergrenzenden, sich parallel erstreckenden und
wellenförmig verlaufenden Streifen bestehen. Bei dieser bekannten Ausführung liegen
die herausgebogenen Teile in Strömungsrichtung gesehen jeweils versetzt zueinander,
wobei das gesamte Material der Streifen an dem Zustandekommen der Verwirbelung beteiligt
ist, weil keine Flächen an den Wärmeaustauschwänden anliegen. Diese Ausführung hat
aber dadurch, daß die herausgebogenen Teile an den Wärmeaustauschwänden scharfe
Kanten bilden, mehrere Nachteile. Einer davon ist die schwierige Herstellung mit
wahrscheinlich hohem Ausschuß, anderer die geringe Wärmeübertragung jeweils nur
an zwei schmalen Kontaktstellen: Außerdem gleicht sich der V-förmig gebogene Streifen
der Rohrwandung schwer an und benötigt deshalb Verbundmaterial zur Festlegung in
den Wärmeaustauschkanälen. Bei Anwendung viskoser Wärmeübertragungsmittel, insbesondere
von Öl, besteht die Neigung zur Durchflußminderung an jenen Stellen einer Ouerschnittfläche,
wo aneinandergrenzende Wände im Strömungsweg wie bei dieser Ausführung in einem
spitzen Winkel zueinander stehen. So wird bei einem dreieckigen Querschnitt der
Fluß in den Ecken derart langsam, daß die wirksame Durchflußzone ein Dreieck mit
abgerundeten Ecken wird.
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Für die Wärmeübertragung ist die Wirkung solcher Ecken der Größe des
Winkels ungefähr umgekehrt proportional. Bei hochviskosem Öl und spitzen Winkeln
können die unmittelbar an die Spitze bzw. Schneide angrenzenden Flächen als Wärmeübertragungsflächen
im
wesentlichen verlorengehen, da sie durch eine Schicht von sich relativ langsam bewegender
Flüssigkeit isoliert sind. Im übrigen läßt sich dieser Streifen in nur einer Richtung
biegen.
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Gegenüber den bisher bekannten Wärmeaustauschern ist derjenige nach
der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze geradlinig verlaufen, die
in den Streifen abwechselnd nach links und nach rechts herausgebogenen Teile durch
Mittelstreifen verbunden sind und die Streifen sich in einer senkrecht zu der fortlaufenden
Wellung gesehenen Richtung als eine Reihe von im wesentlichen sechseckig gestalteten
«laben darstellen. Hierdurch können in besonders fortschrittlicher Weise Wärmeaustauscher,
insbesondere solche kleiner Bauform, mit Standardmaterialien in einfachem Herstellungsverfahren
erhalten werden. Dadurch, daß die herausgebogenen Teile im wesentlichen sechseckig
gestaltet sind, liegen diese bei Druck, insbesondere durch die Ausdehnung des inneren
Rohres, in der Anordnung fest an und erzeugen somit gute Kontaktgebiete an den Wärmeaustauscherwänden.
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Da beim erfindungsgemäßen Wärmeaustausch,er auch kein Verbundmaterial
erforderlich ist, das nur unerwünschte Übergänge bilden würde, stellen die durch
die Flächen geschaffenen verbreiteten Zonen zweckdienlichere Kontaktflächen für
die Wärmeübertragung dar, die außerdem frei von Isolierschichten von sich relativ
langsam bewegender Flüssigkeit sind.
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Dadurch, daß die Platten der Einlagen kreisbogenförmig, insbesondere
in den Mittelstreifen gebogen sind, können diese in zwei Richtungen gebogen werden,
wobei die Schlitze senkrecht oder parallel zur Rohrachse verlaufen.
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In beiden Fällen ergeben sich die gleichen zuvor erwähnten Vorteile.
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Über diese hinaus bietet die Erfindung, wie sie nachfolgend näher
beschrieben ist, noch weitere Vorteile.
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Die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnungen geben Ausführungsbeispiele
der Erfindung wieder.
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In der Zeichnung sind mit gleichen Bezugszeichen gleiche oder entsprechende
Teile bezeichnet. Hierin ist Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine Leitung, in die
ein erfindungsgemäßer Wärmeaustauscher eingesetzt ist, Fig. 2 ein Ouerschnitt etwa
nach der Linie 2-2 der Fig. 1, Fig.3 eine stark vergrößerte perspektivische Ansicht
eines Teiles des bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Wärmeaustauschgitters und
Fig. 4 eine Querschnittsansicht ähnlich der Fig. 2, die eine Bauart zeigt, die den
Einbau in einen Schlauch od. dgl. ermöglicht, wobei diese Figur zugleich die Verwendung
von zwei konzentrisch angeordneten, parallel geschalteten Wärmeaustauschern ersichtlich
werden läßt.
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In den Fig.1 bis 3 ist der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher 1 konzentrisch
in eine Leitung 2 eingesetzt, die aus einem steifen Material, wie Metall, Kunstharzpreßstoff
od. dgl., besteht. Wie die Fig. 1 erkennen läßt, sind zwei konzentrisch ineinandergesteckte
zylindrische Rohre 3 und 4 vorgesehen, zwischen denen ein ringförmiger Durchlaufweg
5 gebildet wird, der an seinen Enden verschlossen ist. Auf der linken Seite der
Fig. 1 ist das freie Ende 6 des Rohres 4 so im Durchmesser abgesetzt oder zusammengezogen,
daß der verringerte Durchmesser etwa dem Außendurchmesser des Rohres 3 entspricht,
und die damit in Berührung kommenden Teile sind an dieser Stelle flüssigkeitsdicht
miteinander verbunden. Das rechte Ende des Wärmeaustauschers zeigt einen andersartigen
Verschluß des Durchlaufweges 5, bei welchem der Endteil des Rohres nicht eingeschnürt
ist und ein flüssigkeitsabdichtender Verschlußring 7 zwischen den beiden Rohren
eingesetzt ist. An Stelle dessen kann auch der Verschluß bzw. die Verbindung der
beiden Rohrteile auch auf dieser Seite die gleiche sein, wie im linken Teil der
Zeichnung.
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An dem Rohr 4 sind auf dessen Umfang seitlich voneinander entfernt
zwei in gleicher Fluchtlinie liegende Öffnungen 8 und 9 vorgesehen, deren eine als
Einlaß- und deren andere als Auslaßöffnung für den Durchlaufweg 5 dient. Die Öffnungen
8 und 9 werden von Ring- oder Bördelflanschen 11 gebildet, die sich nach auswärts
erstrecken und deren jeder in die Aussparung 12 eines zylindrischen Stutzens 13
eingesetzt ist, der eine mit Gewinde versehene Bohrung 14 hat, das Ganze trägt und
zum Anschluß einer Rohrverbindung dient. Die Stutzen 13 gehen durch Öffnungen 15
in der Leitung 2 hindurch und sind in diese flüssigkeitsdicht eingesetzt.
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In dem Durchlaufweg 5 befindet sich eine Einlage 16. Wie aus Fig.
2 hervorgeht, kann die Einlage 16 aus zwei Hälften 16 a und 16 b hergestellt sein,
deren jede aus einem einzigen Materialstück besteht. Das Plattenmaterial des Teiles
16 (Fig. 3) wird bei der Herstellung mit Gruppen von parallelen Schlitzen versehen,
wobei die Achse jeder solchen Gruppe zur Achse der anderen Gruppen parallel liegt
und die entsprechenden Schlitze jeder Gruppe in einer Richtung liegen. Das Material
zwischen einem Paar benachbarter Schlitze einer Gruppe wird dann abwechselnd so
aus der Ursprungsebene des Plattenmaterials nach entgegengesetzten Seiten herausgedrückt,
daß im wesentlichen trapezförmig gestaltete Teile 17a und 17b entstehen,
die auf entgegengesetzten Seiten des Plattenmaterials liegen, wobei die Teile 17
einer Gruppe mit den Teilen 17 der benachbarten Gruppe jeweils durch Mittelstreifen
18 in Verbindung stehen, die sich, wie es aus Fig. 3 zu entnehmen ist, parallel
zueinander erstrecken. Die Teile 17a und 17b weisen Seitenteile 19 auf, die mit
den Kopf- und Fußteilen 21 verbunden sind, so daß diese sich als eine Reihe von
mehr oder weniger sechseckig gestalteten Waben darstellen, wenn man stirnseitig
auf die Mittelstreifen 18 blickt (Fig. 1).
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Während bei diesem Aufbau die Mittelstreifen 18, die die Verbindung
zwischen den benachbarten Gruppen bilden, in einer Ebene ausgerichtet sind, liegen
die entsprechenden Teile 17a oder 17b der einzelnen Gruppen mit ihren Endkanten
in gemeinsamen Ebenen. Infolgedessen ist es möglich, das in Fig. 3 dargestellte
Gebilde in eine Kreisbogenform zu biegen, wobei die Krümmungsachse entweder zu den
Mittelstreifen 18 oder zu der Ebene parallel liegen kann, in der die Endkanten der
Teile 17a oder 17 b liegen. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform sind
die Einlagen 16 kreisbogenförmig gebogen um eine Achse, die zu der durch die Endkanten
der Teile17a und 17b gehenden Ebene parallel gerichtet ist, so daß die Wandteile
19 quer zur Strömungsrichtung im Durchlaufweg 5 liegen. Diese Anordnung bewirkt,
daß der Ölfluß auf die Wandteile 19 auftrifft, wodurch eine wellenförmige Auf- und
Abbewegung des Öles eintritt und das Haften eines Ölfilmes ständig verhindert wird,
was die Wärmeübertragung fördert.
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Die Bauart gestattet, die Einlage entweder so zu verwenden, wie es
in Fig. 1 dargestellt ist, oder aber auch so einzubauen, daß die Endkanten der Teile
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dem ölfluß stirnseitig entgegenstehen, was für besondere Anwendungsfälle
wertvoll ist. Außerdem besteht der Vorteil, daß nach dem Zusammenbau das Innenrohr
unter Anwendung mechanischer oder hydraulischer Mittel auseinandergetrieben oder
aufgeweitet werden kann, wodurch die Einlage und die Rohrflächen fest aufeinanderzuliegen
kommen, so daß es unnötig wird, noch besondere Vorrichtungen oder Befestigungsmittel
anzuwenden, um die Teile in ihrer gegenseitigen Lage zu erhalten bzw.; wenn dennoch
weitere Vorkehrungen zum Verbinden der Teile als empfehlenswert angesehen werden,
die Voraussetzungen für die Herstellung solcher Verbindungen besonders günstig geworden
sind. Nach alledem ermöglicht die Erfindung die Anwendung einfacher Herstellungsverfahren,
wobei gängige Materialien mit normalen handelsüblichen Toleranzen für die Einzelteile
verwendet werden können, und ermöglicht das Verschließen des ringförmigen Mantelraumes
so durchzuführen, daß dieser Verschluß einen festen Bestandteil eines dieser Teile
bildet, wie es im linken Teil der Fig. 1 dargestellt ist, dessen Anwendung sich
als zweckmäßig für beide Seiten empfiehlt.
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Der erfindungsgemäße Aufbau des Wärmeaustauschers läßt es auch durchaus
zu, ihn in bewegliche Leitungen, wie etwa einen Schlauch, einzusetzen, und macht
es überdies möglich, eine Mehrzahl von einzelnen Wärmeaustauschern wahlweise hintereinander
oder parallel zu schalten.
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Fig.4 zeigt an einem Ausführungsbeispiel, wie diese beiden Möglichkeiten
verwirklicht werden. Hierbei ist der Anschlußstutzen 13' mit einem kalottenartigen
Flansch 22 versehen, der der Innenfläche 23 eines beweglichen Schlauches 24 angepaßt
ist. Der Außenrand des Flansches 22 kann, wenn es für notwendig erachtet wird, mit
einer abdichtenden Außenringwulst 25 versehen sein. Dem Stutzen 13' ist ein Bundring
26 zugeordnet, dessen innere Fläche der Außenfläche des Schlauches 24 angepaßt ist.
Der Schlauch ist mit Hilfe einer Schraubenmutter 27, die auf das herausstehende
Ende des Stutzens 13' aufgeschraubt ist, zwischen dem Flansch 22 und dem Bundring
26 eingespannt. Der allgemeine Aufbau des Wärmeaustauschers 1' gleicht dem in Fig.
1 und 2 dargestellten, wobei das Rohr 4' in der zuvor beschriebenen Weise an dem
Stutzen 13' befestigt ist. In dem zylindrischen Körper bzw. Rohr 3' ist ein zweiter
Wärmeaustauscher 1 a eingesetzt. Dieser hat Innen- und Außenmantelteile 3a und 4a.
In der Darstellung nach Fig. 4 sind die Wärmeaustauscher 1' und 1 a parallel geschaltet.
Der innere Mantelteil 3' des Elementes 1' trägt einen zylindrischen Stutzen 29 mit
einer Öffnung 28. Die Öffnung 28 liegt koaxial zu einer ähnlichen Öffnung 31, die
sich in dem Außenmantelteil 4a des Elementes 1a befindet. Die Öffnung 31 ist die
Ausmündungsöffnung eines zylindrischen Stutzens 32. Die Stutzen 29 und 32 befinden
sich in einer Hülse 33. Diese Teile ergeben nach dem Zusammenbau eine flüssigkeitsdichte
Verbindung. Das andere Ende des ganzen Kühlers kann in der gleichen Weise gestaltet
sein. In diesem Falle durchströmt die Flüssigkeit die beiden Wärmeaustauscher 1
a und 1' im Parallelfluß. Beide Wärmeaustauscher 1' und 1 a sind mit Einlagen 16'
in der gleichen Weise, wie an Hand der Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, bestückt,
wobei Durchmesser und Krümmung dieser Teile 16' denen der Elemente entsprechend
angepaßt sind.
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Sollen die beiden Wärmeaustauscher 1 a und 1' im Fluß hintereinandergeschaltet
werden, so bleibt die Anordnung der beschriebenen gleich, jedoch wird das eine Ende
des Wärmeäustauschers mit einem Einlaß versehen, der beispielsweise direkt in das
Innere des Wärmeaustauschers 1 a führt. Das kann dadurch erreicht werden, daß unter
Benutzung des gleichen (in Fig.4 gestrichelt gezeichneten) Aufbaues ein Rohrkörper
34 vorgesehen wird, der an dieser Stelle den inneren Wärmeaustauscher von dem dabeiliegenden
Ende des äußeren Wärmeaustauschers absperrt. Dieser letztgenannte Wärmeaustauscher
müßte dann an diesem Ende der Anlage einen zweiten Stutzen erhalten, der etwa gleicher
Art sein kann wie der in den Fig. 1 und 4 dargestellte, der ausschließlich mit dem
dortigen Ende des äußeren Wärmeaustauschers in Verbindung steht. Dabei empfiehlt
es sich, den äußeren Wärmeaustauscher etwas länger zu Beinessen, so daß der betreffende
Anschlußstutzen, in der Längsrichtung des Wärmeaustauschers gesehen, neben dem zum
inneren Wärmeaustauscher führenden Anschlußstutzen angebracht werden kann. Statt
dessen kann der genannte zusätzliche Stutzen aber auch räumlich so untergebracht
werden, daß er dem zu dem inneren Wärmeaustauscher führenden Stutzen gegenüberliegt.
Das andere, entgegengesetzte Ende der Kühleinrichtung kann so verbleiben, wie es
Fig. 4 zeigt, in den Anschlußstutzen 13' muß aber ein Verschlußstöpsel eingeschraubt
werden, der die Ausmündung dieses Stutzens nach außen hin verschließt, so daß dem
Strömungsmittel nur ein Verbindungsweg zwischen dem inneren und äußeren Wärmeaustauscher
verbleibt. Eine Flüssigkeit oder sonstiges strömungsfähiges Mittel, das an dem einen
Ende des einen der Wärmeaustauscher eingeleitet wird, durchströmt dieses also nach
seinem entgegengesetzten Ende hin, dann durch den Verbindungsdurchlaß in das angrenzende
Ende des anderen Wärmeaustauschers ein, durch dieses hindurch und mit dem Erreichen
dieses Endes durch den Auslaßstutzen heraus.
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Aus alledem geht hervor, daß mit der Erfindung Kühlelemente geschaffen
worden sind, die in ihrem Aufbau außerordentlich einfach sind, ohne weiteres in
eine ein strömendes Mittel führende Leitung eingesetzt werden können, einen sehr
wirksamen Wärmeaustausch ermöglichen und besonders zum Kühlen von Öl geeignet sind
sowie zugleich besonders den praktisch vorkommenden Betriebstemperaturen und -drücken
standhalten.