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Rohrelement für Wärmeaustauscher, bei dem ein Mantel ein Kernrohr
und mindestens ein an dessen Umfang anliegendes Außenrohr kleineren Querschnittes
umschließt Die Erfindung betrifft ein Rohrelement für Wärmeaustauscher, welches
aus einem Kernrohr größeren Strömungsquerschnittes und mindestens einem an dessen
Umfang anliegenden Außenrohr von sehr kleinem Strömungsquerschnitt - z. B. einem
Kapillarrohr -besteht. Derartige Rohrelemente werden insbesondere bei Kälteeinrichtungen
verwendet, bei welchen ein durch Verdichtung verflüssigtes Kältemittel durch ein
oder mehrere Kapillarrohre einem Verdampfer zugeführt wird, während für die Rückleitung
des dampfförmigen Kältemittels zum Verdichter ein Saugrohr von wesentlich größerem
Strömungsquerschnitt vorgesehen ist. Als Kältemittel wird hierbei in der Regel Difluordichlormethan
oder Difluormonochlormethan verwendet, während die Rohre in den meisten Fällen aus
Kupfer bestehen. Es können jedoch auch aus anderen Werkstoffen bestehende Rohre
Verwendung finden, beispielsweise mit einem Kupfer- oder Messingüberzug versehene
Stahlrohre. Als Zuführungsleitung für das im Verdichter verflüssigte Kältemittel
zum Verdampfer verwendet man wegen des verhältnismäßig hohen Druckes, unter welchem
das verflüssigte Kältemittel steht, sowie um den Zufluß des flüssigen Kältemittels
zum Verdampfer in der gewünschten Weise drosseln zu können, Rohre von möglichst
geringem Strömungsquerschnitt, die man allgemein als Drossel- oder Kapillarrohre
bezeichnet.
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Diese Kapillarrohre für die Zuführung des verflüssigten Kältemittels
zum Verdampfer werden in der Regel am Umfang der in entgegengesetzter Richtung vom
verdampften Kältemittel durchströmten, zum Verdichter führenden Saugrohre angeordnet,
um auf diese Weise einen möglichst intensiven Wärmeaustausch zwischen dem vom Verdampfer
kommenden kalten dampfförmigen Kältemittel und dem bei der Verflüssigung im Verdichter
erwärmten flüssigen Kältemittel herbeizuführen bzw. um die niedrige Temperatur des
dampfförmigen Kältemittels soweit als möglich für eine Kühlung des dem Verdampfer
zugeführten flüssigen Kältemittels auszunutzen.
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Bei der Herstellung derartiger Rohrelemente ist man bisher meist in
der Weise vorgegangen, daß am Umfang des Kernrohres bzw. Saugrohres für die Rückführung
des dampfförmigen Kältemittels ein parallel zu dessen Längsachse verlaufendes Kapillarrohr
angelötet wird. Ein derartiges Verlöten von Kern- und Außenrohr ist jedoch verhältnismäßig
umständlich und teuer und besitzt außerdem den Nachteil, daß sich eine Verfärbung
der inneren und äußeren Oberflächen der Rohre sowie eine Bildung von säurehaltigen
Rückständen, welche verhältnismäßig schnell zu Korrosionserscheinungen führen, nicht
vermeiden läßt. Ein besonderer Nachteil dieser durch Verlötung hergestellten Rohrelemente
besteht jedoch darin, daß sie verhältnismäßig starr und unelastisch und daher empfindlich
gegenüber mechanischen Beanspruchungen sind. Insbesondere lassen sich derartige
Rohrelemente praktisch nur senkrecht zu der durch die Längsachsen der beiden Rohre
gehenden Ebene biegen, sofern man unzulässige Verengungen der Strömungsquerschnitte
der Rohre bzw. unzulässig hohe Beanspruchungen der Lötverbindung vermeiden will.
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Da bei diesen bekannten Rohrelementen die Berührungsfläche zwischen
Kern- und Außenrohr verhältnismäßig klein ist, läßt auch der Wärmeaustausch zwischen
den beiden miteinander verlöteten Rohren zu wünschen übrig, so daß das verflüssigte
Kältemittel vor der Einführung in den Verdampfer zur Erzielung einer ausreichenden
Kühlung durch ein Kapillarrohr von verhältnismäßig großer Länge im Gegenstrom zu
dem verdampften Kältemittel geführt werden muß. Infolgedessen müssen Kapillarrohre
von verhältnismäßig großer Länge verwendet werden, die überdies einen größeren Innendurchmesser
erhalten müssen, um eine zu starke Drosselung des verflüssigten Kältemittels zu
vermeiden, was - da diese Kapillarrohre meist aus Kupfer bestehen - eine bei ausgesprochenen
Massenartikeln ins Gewicht fallende Kostenerhöhung zur Folge hat.
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An Stelle einer derartigen Lötverbindung zwischen Kern- und Außenrohr
bzw. Saug- und Kapillarrohr
hat man ferner bereits vorgeschlagen,
diese parallel zueinander angeordneten Rohre innerhalb eines diese eng umschließenden
metallischen Rohres anzuordnen oder aber sie mit einer gemeinsamen Umwicklung aus
einem Metallband, beispielsweise einem Kupferband, zu versehen. Bei der Anordnung
von Kern- und Außenrohr innerhalb eines geschlossenen Metallmantels ist es insbesondere
bei den bei Kälteeinrichtungen erforderlichen Rohrlängen praktisch nicht möglich,
überall einen ausreichenden Kontakt zwischen Kern- und Außenrohr und damit einen
ausreichenden Wärmeübergang zwischen diesen Rohren zu gewährleisten. Außerdem bereitet
das Aufziehen eines derartigen Metallrohres auf die Saug- und Kapillarrohre von
Kälteeinrichtungen, von denen insbesondere die Kapillarrohre regelmäßig aus verhältnismäßig
weichem Werkstoff bestehen und auch infolge ihrer geringen Querschnittsabmessungen
eine geringe Knick- und Biegefestigkeit aufweisen, erhebliche Schwierigkeiten. Hierzu
muß in jedem Falle ein gewisses Spiel zwischen dem Mantelrohr und dem von diesem
umschlossenen Saug- und Kapillarrohr vorgesehen werden, wodurch der Kontakt zwischen
diesen Rohren und damit der Wärmeaustausch zwischen dem flüssigen und dampfförmigen
Kältemittel weiter verschlechtert wird. Für das Aufschieben des Mantelrohres dürfte
ferner in der Regel die Zuhilfenahme von Gleitmitteln erforderlich sein, welche
sich nachträglich nicht mehr oder zumindest nicht mehr vollständig entfernen lassen
und eine weitere Verschlechterung des Wärmeüberganges bewirken sowie die Gefahr
von Korrosionserscheinungen nach sich ziehen. Außerdem sind derartige mit einem
metallischen Mantelrohr versehene Rohrelemente verhältnismäßig schwer und biegungssteif,
wodurch ihre Bearbeitung bzw. ihr Einbau in Kälteeinrichtungen erheblich erschwert
wird. Ihre Material- und Herstellungskosten sind überdies derart groß, daß sie auch
aus diesem Grunde für die Verwendung bei Kälteeinrichtungen kaum in Frage kommen.
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Ein weiterer wesentlicher Nachteil dieser Rohrelemente besteht in
der Gefahr von Kontaktkorrosionen - sofern nicht daß Außen- und Mantelrohr aus demselben
Metall besteht -, so daß es, um diese zu vermeiden, erforderlich ist, für die Herstellung
des Mantelrohres dieselben verhältnismäßig teuren Metalle zu verwenden, aus denen
in der Regel Kern- und Außenrohr bestehen.
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Die vorstehend behandelten Nachteile sind im wesentlichen auch dann
vorhanden, wenn Kern- und Außenrohr durch eine gemeinsame Umwicklung aus einer Metallfolie,
beispielsweise einer Kupferfolie, zusammengehalten sind. Zwar läßt sich auf diese
Weise ein etwas besserer Kontakt zwischen Kern-und Außenrohr erreichen, jedoch wird
dies durch eine gegenüber den vorstehend behandelten Rohrelementen noch kostspieligere
Herstellung und den weiteren Nachteil erkauft, daß derartige Rohrelemente sich nicht
in größeren Längen herstellen und anschließend in beliebiger Weise unterteilen und
biegen lassen, ohne daß die Gefahr eines Lösens der Umwicklung besteht.
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Weiter ist es bekannt, das Saugrohr und das an dessen Umfang anliegende
Kapillarrohr einer Kälteeinrichtung auf einen Teil ihrer Länge innerhalb einer aus
Gummi bestehenden Ummantelung anzuordnen, welche die beiden Rohre ohne Belassung
eines Zwischenraumes umschließt und die Aufgabe hat, eine Eisbildung an dem das
verdampfte Kältemittel fÜhrenden Saugrohr zu verhindern. Eine derartige vollständige
Einbettung von Saug- und Kapillarrohr innerhalb eines diese ohne Zwischenraum umschließenden
Vollgummimantels läßt sich praktisch nur dadurch erreichen, daß ein entsprechender
Vollgummikörper durch Gießen hergestellt und die Rohre hierbei mit eingegossen werden.
Infolgedessen ist die Herstellung derartiger Rohrelemente verhältnismäßig schwierig
und kostspielig, ganz abgesehen davon, daß hierfür besondere Einrichtungen und Maschinen
erforderlich sind, wie sie nur in gummiverarbeitenden Werken vorhanden sind. Da
die Gummiummantelung fest an der Oberfläche des Kern- und Außenrohres haftet, läßt
sich dieses Rohrelement verhältnismäßig schlecht biegen, wobei es außerdem infolge
der praktisch unverschiebbaren Verbindung zwischen den Rohren und der Gummiummantelung
bei einem Biegen leicht zu unzulässigen Querschnittsverformungen der Rohre sowie
unzulässig starken Dehnungen und Stauchungen der Gummiummantelung kommen kann. Ein
weiterer Nachteil einer derartigen Gummiummantelung besteht darin, daß sie infolge
der geringen Alterungsbeständigkeit von Gummi nach einer verhältnismäßig kurzen
Einsatzdauer hart und brüchig wird, zumal Gummi gegen die bei Kälteeinrichtungen
auftretenden hohen Temperaturschwankungen bzw. Temperaturunterschiede zwischen Saugrohr
und Kapillarrohr ziemlich empfindlich ist und infolgedessen nur eine verhältnismäßig
kurze Lebensdauer hat. Weitere Nachteile sind die relativ geringe Verschleißfestigkeit
einer derartigen Gummiummantelung sowie ihre geringe Widerstandsfähigkeit gegen
Öl, Benzin, Lösungsmittel u. dgl. Außerdem nimmt sie infolge ihrer geringen Oberflächenglätte
leicht Schmutz an und ist infolgedessen nur schlecht sauberzuhalten. Schließlich
lassen sich derartige Gummiummantelungen praktisch nur schwarz und rot färben, so
daß sie ein wenig schönes Aussehen besitzen und auch aus diesem Grunde für zahlreiche
Anwendungsfälle nicht geeignet sind.
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Zur Vermeidung der den verschiedenen vorstehend behandelten bekannten
Rohrelementen anhaftenden Nachteile geht die Erfindung von der zuletzt beschriebenen
Bauart aus, bei welcher Kern- und Außenrohr durch einen Mantel aus einem gummiartigen
Werkstoff zusammengehalten sind, kennzeichnet sich dieser gegenüber jedoch dadurch,
daß der Mantel als aus einem gummiartigenKunststoff bestehenderSchrumpfschlauch
ausgebildet ist, welcher die Rohre unter Spannung umschließend gegeneinanderpreßt.
Hierdurch ergibt sich zunächst eine wesentliche Vereinfachung und Verbilligung der
Herstellung gegenüber den bekannten Rohrelementen, gleichgültig, ob bei diesen Kern-
und Außenrohr durch eine Lötverbindüng oder durch eine metallische Ummantelung oder
ein diese umschließendes Vollgummirohr zusammengehalten sind. Das erfindungsgemäß
vorgeschlagene Rohrelement läßt sich hierbei ohne weiteres auch von weniger geübten
Arbeitskräften sowie mit den in den meisten derartige Rohrelemente herstellenden
Betrieben ohnehin vorhandenen Vorrichtungen herstellen, wobei es überdies mit praktisch
dem gleichen Arbeitsaufwand möglich ist, am Umfang des Kernrohres ein, zwei oder
auch mehr Außenrohre anzubringen.
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Während bei den vorstehend behandelten bekannten Rohrelementen Außen-
und Kernrohr in allen Fällen mehr oder weniger starr miteinander verbunden
sind,
werden bei dem Rohrelement nach der Erfindung die Rohre durch den unter Spannung
aufsitzenden Kunststoffschlauch mit verhältnismäßig großer Kraft gegeneinandergepreßt,
so daß sie durch Reibungsschluß zusammengehalten werden. Diese Verbindung ist jedoch
so elastisch, daß sich die Rohre ohne weiteres in beliebiger Richtung ohne Gefahr
unzulässiger Querschnittsverformungen bzw. ohne die Gefahr unzulässig hoher Stauch-
und Dehnungsbeanspruchungen der Ummantelung biegen lassen, da sich die einzelnen
Rohre gegeneinander sowie auch gegenüber dem Kunststoffschlauch in gewissem Umfang
verschieben können. Infolgedessen wird die Verformbarkeit des Rohrelementes durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ummantelung von Kern- und Außenrohr durch einen
Schrumpfschlauch in keiner Weise beeinträchtigt, andererseits jedoch die Widerstandsfähigkeit
des Rohrelementes gegen mechanische Beanspruchungen, wie sie beispielsweise beim
Transport oder bei der Montage auftreten können, erheblich verbessert.
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Der die Rohre ummantelnde Kunststoffschlauch bewirkt ferner eine gute
Wärmeisolation gegenüber der Außenluft und verhindert insbesondere eine stärkere
Kälteabstrahlung des das verdampfte Kältemittel führenden Saugrohres. Ferner schützt
der erfindungsgemäß vorgeschlagene Kunstoffmantel die von ihm umschlossenen Rohre
sehr wirksam gegen Oxydation und Korrosion, insbesondere auch gegen Kontaktkorrosion
mit anderen Metallen des Kühlaggregates. Hierdurch wird die Verwendung von billigeren
Rohren, beispielsweise verkupferten Eisenrohren an Stelle von Kupferrohren, für
die Herstellung derartiger Rohrelemente ermöglicht, die man bislang wegen der vorhandenen
Korrosionsgefahr nicht benutzen konnte. Infolge des dichten Abschlusses der Rohre
gegenüber der Außenluft durch den aufgeschrumpften Kunststoffmantel kann sich ferner
auf deren Oberfläche kein Kondenswasser bilden, so daß eine einen Wärmeübergang
beeinträchtigende Eisbildung an der Außenfläche des Saugrohres verhindert wird.
Außerdem bewirkt der Kunststoffmantel des Rohrelementes eine Dämpfung von möglicherweise
durch den Verdichter erzeugten Schwingungen und schließt eine Entstehung von Geräuschen
bei der Berührung der Rohrelemente mit anderen Teilen der Kälteeinrichtung aus.
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Die für die Herstellung derartiger Schrumpfschläuche in Frage kommenden
Kunststoffe zeichnen sich gegenüber Gummi dadurch aus, daß sie gegen die bei Kälteeinrichtungen
auftretenden hohen Temperaturschwankungen weitgehend unempfindlich sind, nicht altern
sowie über längere Zeitspannen ihre Elastizität praktisch unverändert behalten,
wobei sie außerdem wesentlich verschleißfester als Gummi und praktisch unempfindlich
gegen Öl, Benzin, Lösungsmittel u. dgl. sind. Da sie außerdem eine sehr große Oberflächenglätte
besitzen, neigen sie wenig zur Verschmutzung_ und sind überdies leicht zu reinigen.
Außerdem lassen sich derartige Kunststoffe in verschiedenster Weise färben, wodurch
das Aussehen des mit einer derartigen Ummantelung versehenen Rohrelementes erheblich
verbessert wird und sich dieses ohne weiteres auch an von außen sichtbaren Stellen
der Kälteeinrichtung verlegen läßt.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Rohrelement läßt sich überdies
ohne weiteres auch in größeren Längen als fertigisoliertes Bauelement herstellen,
das dann nur noch auf die jeweils erforderliche Länge zurechtgeschnitten und in
die erforderliche Form gebogen zu werden braucht, was aus den vorstehenden Gründen
ohne Schwierigkeiten möglich ist.
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Als besonders zweckmäßig hat sich die Verwendung eines bei Zimmertemperatur
auf die aneinandergefügten Rohre aufschiebbaren Schrumpfschlauches aus sehr wenig
Weichmacher enthaltendem Polyvinylchlorid mit eingefrorenen, nahe der Fließgrenze
erfolgten Aufweitungen erwiesen, die durch Temperaturerhöhung zurückstellbar sind.
In derartigen Schrumpfschläuchen lassen sich ohne weiteres größere, nahe der Fließgrenze
erfolgte Aufweitungen einfrieren, so daß diese Schläuche auf die miteinander zu
verbindenden Rohre bei Zimmertemperatur locker aufgeschoben werden können, während
sie anschließend bei einer Temperaturerhöhung auf beispielsweise etwa 100 bis 120°
C in erheblichem Maße - z. B. um etwa 40 bis 50fl/o ihres lichten Querschnittes
-schrumpfen, so daß die miteinander zu verbindenden Rohre mit großer Kraft elastisch
gegeneinandergepreßt werden. Diese Kunststoffe zeichnen sich außerdem durch eine
gute elastische Verformbarkeit und eine große Beständigkeit gegen Säuren, Fette,
Öle, Laugen u. dgl. aus. An Stelle von sehr wenig Weichmacher enthaltendem, weichgestelltem
Polyvinylchlorid können aber auch andere Kunststoffe mit ähnlichen Eigenschaften
verwendet werden.
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Die Außenrohre können bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Rohrelementen
nicht nur parallel zum Kernrohr, sondern auch dieses auf ganzer oder einem Teil
seiner Länge schraubenförmig umschließend angeordnet werden, ohne daß hierdurch
die Herstellung des Rohrelementes in irgendeiner Weise erschwert wird. Man hat somit
die Möglichkeit, ein oder mehrere Kapillarrohre von verhältnismäßig großer Länge
um ein kürzeres Saugrohr schraubenwendelförmig zu wickeln, um somit auch bei einer
verhältnismäßig geringen Länge des Saugrohres für die Rückführung des verdampften
Kältemittels zum Verdichter eine gute Kühlung des verflüssigten Kältemittels zu
erreichen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind am Umfang des Kernrohres
eine oder mehrere in vorzugsweise gleichmäßigem Seitenabstand angeordnete Längsnuten
vorgesehen, in welchen die Außenrohre mindestens mit einem Teil ihres Querschnittes
gelagert sind. Hierdurch wird die Berührungsfläche zwischen Kern- und Außenrohren
wesentlich vergrößert, so daß eine weitere Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen
diesen beiden Rohren bzw. den innerhalb derselben angeordneten wärmetauschenden
Medien erreicht wird. Der Querschnitt der Längsnuten, welche in den meisten Fällen
parallel zur Längsachse des Kernrohres angeordnet sind, wird zweckmäßig mindestens
gleich einem Viertel - vorzugsweise etwa gleich der Hälfte bis drei Vierteln - des
Querschnittes der Außenrohre bemessen, so daß diese mit dem überwiegenden Teil ihres
Querschnittes in den Längsnuten gelagert sind.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung in
perspektivischer Darstellung veranschaulicht. Es zeigt Fig.1 ein Rohrelement mit
einem am Umfang eines glatten Kernrohres angeordneten längsverlaufenden Außenrohr,
Fig. 2 ein Rohrelement mit drei am Umfang eines glatten Kernrohres angeordneten
längsverlaufenden Außenrohren,
Fig.3 ein Rohrelement mit einem am
Umfang eines glatten Kernrohres angeordneten, dieses schraubenförmig umschließenden
Außenrohr, Fig. 4 ein Rohrelement mit einem in einer Längsnut des Kernrohres angeordneten
Außenrohr, Fig. 5 ein Rohrelement mit drei in am Umfang des Kernrohres vorgesehenen
Längsnuten gelagerten Außenrohren.
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In allen Figuren ist das Kernrohr mit 1, die Außen-oder Kapillarrohre
mit 2 und der diese mit Spannung umschließende, durchSchrumpfenaufgebrachteKunststoffschlauch
mit 3 bezeichnet.
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Das Kernrohr l und die Kapillarrohre 2 bestehen aus nahtlosen Kupferrohren.
Die Erfindung läßt sich jedoch auch bei Rohren aus anderen metallischen Werkstoffen,
vorzugsweise aus kupferhaltigen Legierungen oder Aluminium, anwenden sowie auch
bei Stahlrohren, welche gegebenenfalls innen oder auch auf beiden Seiten mit einem
Kupfer- oder Messingüberzug versehen sind. In den Fällen, in denen der Wärmeübergang
zwischen Kern- und Kapillarrohren von untergeordneter Bedeutung ist, können an Stelle
von metallischen Rohren auch aus Kunststoff bestehende Rohre verwendet werden. Bei
dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das glatte Kernrohr
l einen Außendurchmesser von etwa 8 mm bei einer Wandstärke von etwa 0,75 mm, während
die Kapillarrohre 2 bei einer Wandstärke von etwa 0,6 mm einen Außendurchmesser
von etwa 2 mm aufweisen. Der Kern- und Außenrohre umschließende Kunststoffschlauch
3 besteht aus weichgestelltem Polyvinylchlorid mit einem sehr geringen Weichmachergehalt.
Er besitzt vor der Rückstellung der eingefrorenen, elastischen Aufweitungen einen
solchen lichten Querschnitt, daß er die locker aneinandergefügten Kern- und Außenrohre
1 bzw. 2 des jeweiligen Rohrelementes mit geringem Spiel umschließt und sich somit
auf das Rohrelement leicht aufschieben läßt. Nach der Schrumpfung des Kunststoffschlauches
3 sitzt dieser mit solcher Spannung auf dem Rohrelement 1, 2 auf, daß er sich bei
Zimmertemperatur von diesem nicht mehr abziehen läßt. Die Wandstärke des Kunststoffschlauches
beläuft sich bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel auf etwa
1 mm.
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Bei dem in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind
am Umfang des Kernrohres 1 eine bzw. drei mit gleichmäßigem Seitenabstand angeordnete
Längsnuten 4 vorgesehen, in welchen die Kapillarrohre 2 mit einem wesentlichen
Teil ihres Querschnittes gelagert sind. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Rohrelement
besitzen die Kapillarrohre 2 ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2
in Umfangsrichtung des Kernrohres jeweils gleich großen Abstand. Selbstverständlich
können an Stelle von einem oder drei Kapillarrohren 2 am Umfang eines Kernrohres
1 auch zwei oder z. B. bei Kernrohren besonders großen Querschnittes gegebenenfalls
auch mehr Kapillarrohre angeordnet werden. Bei Rohrelementen für Kühlaggregate genügt
jedoch in der Regel die Anordnung eines Kapillarrohres 2 am Umfang des Kernrohres
1.
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An Stelle von einem das Kernrohr 1 schraubenförmig umschließenden
Kapillarrohr 2 - wie es in Fig. 3 dargestellt ist - können selbstverständlich auch
zwei oder mehrere das Kernrohr 1 schraubenförmig umschließende Kapillarrohre 2 vorgesehen
werden. Infolge der durch die schraubenförmige Aufwicklung der Kapillarrohre bewirkten
Vergrößerung der Berührungsfläche zwischen diesen und dem Kernrohr kann auf schraubenförmige
Längsnuten am Umfang des Kernrohres 1 in der Regel verzichtet werden.