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Füllkörpereinsatz für ein Wärmeaustauschrohr Die Erfindung betrifft
einen Füllkörpereinsatz für ein Wärmeaustauschrohr, der aus einer einstückigen Wendel
mit einer rohrartigen Seele und strahlenförmig nach außen gerichteten, mit der Innenfläche
des Rohres wärmeleitend verbundenen Schenkeln besteht. Derartige Füllkörpereinsätze
finden bevorzugt bei Wärmeaustauschem Anwendung, bei denen das Medium mit der kleinen
Wärmeübergangszahl durch Rohre strömt, die mit den Füllkörpern versehen sind. Die
Wirkung dieser Füllkörper besteht in der Vergrößerung der Oberfläche und der besseren
Durchmischung und Verwirbelung des in dem Rohr strömenden Mediums, so daß eine Verbesserung
der Wärmeübertragung erzielt wird.
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Es sind bereits Wärmeaustauschrohre mit einem Rohreinsatz bekannt,
bei welchen Drahtwendeln Verwendung finden, die aus einer um einen Trägerdraht gewickelten
Drahtspirale bestehen, die mit sehr großer Steigung im Wärmeaustauschrohr untergebracht
ist und wobei die Drahtspiralen mit der Rohrinnenwand wärmeleitend verbunden sind.
Es ist auch ein Wärmeaustauschrohr bekannt, bei dem die Drahtwendel ohne Zuhilfenahme
eines Trägerdrahtes direkt auf einem zentrischen Kern aufgebracht ist. Die Wicklung
einer derartigen Wendel aus einzelnen Drahtwindungen ist äußerst langwierig und
schwierig. Der wirksame Querschnitt für den Wärmeübergang ist relativ gering.
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Bei einer anderen bekannten Wärmeaustauschvorrichtung mit Rohreinsätzen
sind Querstege, die mit ihren Enden die Rohrwand berühren, in bestimmten Abständen
in den Rohren angeordnet. Dabei können die Querstege untereinander mittels Längsstreifen
verbunden sein.
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Bei einer weiteren bekannten Einrichtung sind in der Rohrachse verdrillte
Drähte vorgesehen, in denen Drahtringe spiralenförmig angeordnet sind, die ihrerseits
wieder die Rohrinnenwand berühren können. Eine andere bekannte Wärmeaustauschvorrichtung
weist im Inneren eines Rohres einen Einsatz auf, der aus Drahtborsten besteht, die
ihrerseits. wiederum in verdrillten Drähten in der Rohrachse gehalten werden. Diese
Drahtbüschel sind spiralenförmig angeordnet und ergeben dadurch einen spiralförmigen
Strömungsweg für das Medium. Sie dienen andererseits zur Vergrößerung des Wärmeüberganges
zwischen Medium und Außenwand.
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Es ist auch bereits ein Verfahren zur Herstellung eines Rippenrohres
bekannt, bei dem ein Blechstreifen mit senkrecht zur Längsachse angebrachten Einschnitten
zwischen zwei Kegelwalzen flachwinklig abgebogen und der winklig gebogene Streifen
sodann auf einem Kern zu einer fortlaufenden Spirale aufgewickelt wird, wobei die
Streifen nach dem Verlöten der Spirale erst völlig senkrecht aufgebogen werden.
Dieses Rippenrohr wird auf der Außenseite quer zur Rohrachse angeströmt. In Wärmeaustauschrohren
allgemein und mit einem Füllkörpereinsatz speziell muß das Medium, welches durch
den Füllkörpereinsatz beeinflußt werden soll, in der Richtung der Rohrachse strömen.
Die Verwendung des bekannten Rippenrohres als Füllkörpereinsatz ist nicht ohne weiteres
möglich, da durch die verhältnismäßig kleinen Schlitze im Blechstreifen die Strömung
überaus stark behindert ist, zufolge des äußerst kleinen frei bleibenden Strömungsquerschnittes.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Füllkörpereinsatz
für ein Wärmeaustauschrohr zu schaffen, bei dem durch eine Vielzahl von streifenartigen,
strahlenförmig sich erstreckenden Flächen ein besonders guter Wärmeübergang erzielt
wird. Hierbei soll der Füllkörper so ausgestaltet sein, daß er auch für Wärmeaustauschrohre
mit kleinen und kleinsten Durchmessern geeignet ist, und schließlich soll dieser
Füllkörper so gestaltet sein, daß dessen Fertigung und dessen Einbau in einem Wärmeaus-.
tauschrohr mit geringstem Aufwand möglich ist.
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Demzufolge besteht die Erfindung im wesentlichen darin, daß die strahlenförmig
nach außen abstehenden Streifen nur an ihrem Fußende um ihre Längsachse verschränkt
sind, in einem solchen Drehsinn, daß sich der Steigungswinkel der Wendel zu dem
Verdrehungswinkel der radialen Streifen addiert. Durch diese Verschränkung der Streifen
als Ganzes,. die in sich eben bleiben, wird erreicht, daß der Strömungsquerschnitt
ausreichend groß ist und daß ferner kein. Einreißen der Streifen bei der Herstellung
erfolgt. Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Füllkörpereinsatz werden daher nicht
nur die Vorteile
der bekannten Füllkörper erzielt, sondern auch
noch wesentliche Vorteile in=fertigungstechnischer.Hinsicht erreicht.
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Die Verschränkung der nach außen abstehenden Streifen kann bereits
vor dem Wendelungsvorgang vorgenommen werden. Die einfachste Art der Durchführung
dieses VerschränkungsvQrganges besteht darin, daß gleichzeitig beim Einschneidvorgang
am breiten Streifen des L-förmigen Blechstreifens auch diese Schrägstellung der
einzelnen Streifen herbeigeführt wird. Diese Verschränkung der strahlenförmig nach
außen abstehenden Streifen an dem Füllkörpereinsatz hat einerseits den Zweck, daß
der freie Durchgangsquerschnitt. zwischen. den in .der Projektion in der Längsachse
der Seele benachbart zueinander-liegenden Streifen möglichst vergrößert wird. Es
ergibt sich bei dieser Verschränkung statt einer dreieckförmigen eine trapezartig
geformte Durchtrittsfläche. Die verschränkten, radial abstehenden Streifen ergeben
außerdem eine erhöhte Drallwirkung für das durchfließende Medium, womit wiederum
der Wärmeübergang im Wärmeaustauschrohr begünstigt wird.
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Eine besonders vorteilhafte Ausbildungsform des Erfindungsgegenstandes
ergibt sich dadurch, daß jeder seiner radialen Streifen an seinem Ende als Begrenzungslinie
einen Teil der Ellipse aufweist, die entsteht, wenn ein Zylinder mit"dem Außendurchmesser
des Füllkörpers in der Ebene geschnitten. wird, in der die Blattfläche der Streifen
liegt.
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Man kann zusätzlich in die rohrartige Seele des Füllkörpereinsatzes
einen im Querschnitt etwa i! förurigen Blechstreifen anbringen, der entweder von
vornherein schon als Kernkörper ausgenutzt wird oder aber der nachträglich .als
Einsatzkörper in diesen Hohlraum eingebracht wird. Durch diesen Einsatzkörper erhält
der Füllkörper eine zusätzliche Ver= steifung. Andererseits werden die metallischen
Berührungsflächen für das durchströmende Medium ent= sprechend vergrößert. Der Vorzug
eines Füllkörpereinsatzes gemäß der Erfindung liegt in erster Linie darin, daß seine
maschinelle Herstellung in einer sehr wirtschaftlichen und exakten Weise möglich
ist. Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Füllkörpereinsatzes ist gekennzeichnet
durch die Verwendung eines Blechstreifens mit L-förmigem Querschnitt. Der längere
Schenkel dieses am Querschnitt L-förmigen Blechstreifens wird in an sich bekannter
Weise in bestimmten Abständen in Richtung zur Profillängsachse, vorzugsweise senkrecht
zur Profillängsachse, eingeschnitten. Der kürzere Schenkel dieses Blechstreifens
wird alsdann um einen Kern zu einer Wendel gewickelt. Bei diesem Wicklungsvorgang
ergibt sich, daß die zuvor in den breiten Schenkel des Blechstreifens eingeschnittenen
Streifen strahlenförmig von der durch den schmaleren Streifen gebildeten rohrartigen
Seele radial nach außen abstehen. Je nach der Größe des Durchmessers dieses Füllkörpereinsatzes
können die radial nach außen gerichteten Streifen eine entsprechend große und kleine
Breite aufweisen.
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Somit ergibt sich, daß der Erfindungsgegenstand für die verschiedensten
Arbeitsgebiete anwendbar ist. Vorzugsweise kommt ein solcher. Füllkörpereinsatz
gemäß der Erfindung für Wärmeaüstauscher in Betracht, die Wärmeaustauschrohre für
flüssige Medien aufweisen, z. B. bei ölkühlem. Der Füllkörpereinsatz ist aber ebensogut-:änwendbar
bei Luftkühlungeü, z:;B..bei. Trocknungsanlagen, als Kompressorkühler, als Heizelement
od. dgl.
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Bei der Herstellung eines Füllkörpereinsatzes gemäß der Erfindung
kann man so vorgehen, daß der z. B. im Querschnitt zylindrische Kern nach der Wendelüng
des kürzeren-Schenkels des Blechstreifens aus dem Innenraum der die Seele bildenden
Wendelung herausgezogen wird. Dieser Füllkörpereinsatz hat nach dem Wendelungsvorgang
auch bei Verwendung eines Blechstreifens mit sehr geringer Wandstärke in sich eine
solche Festigkeit, daß auch nach Herausziehen des zylindrischen Kernes das Einführen
dieses Füllkörpereinsatzes z. B. in ein Wärmeaustauschrohr keinerlei Schwierigkeiten
bereitet. Das Herausziehendes zylindrischen Kernes kann gegebenenfalls auch erst
nach dem Einbringen des Füllkörpereinsatzes in das Wärmeaustauschrohr vorgenommen
werden.
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Wenn man diesen Kern aus dem Füllkörpereinsatz wieder entfernt und
wenn außerdem die Steigung der Wendel annähernd gleich der Breite des kürzeren Schenkels
des Blechstreifens gewählt wird, dann erhält man als Seele dieses Füllkörpereinsatzes
durch die Wendelung des kürzeren Blechstreifens praktisch ein geschlossenes Rohr
im Zentrum des Füllkörpereinsatzes.
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Dieser Füllkörper kann nach seinem Einsatz in das Wärmeaustauschrohr
durch Verzinnen in einem Zinnbad verlötet werden. Hierdurch wird nicht nur eine
Berührung der freienAußenenden mit der Innenfläche des Wärmeaustauschrohres, sondern
eine metallische Verbindung zwischen den strahlenförmigen Streifen des Füllkörpereinsatzes
und damit zwischen dem gesamten Füllkörpereinsatz und dem Wärmeaustauschrohr geschaffen.
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Wenn die Steigung der Wendel - wie bereits erwähnt - annähernd gleich
der Breite des kürzeren Schenkels des Blechstreifens gewählt wird, dann hat dieser
Verzinnungsvorgang auch noch zur Folge, daß die rohrartige- Seele der Wendel zu
einem geschlossenen und dichten Rohrkörper gestaltet wird. Je nach dem Verwendungszweck
und je nach dem Durchmesser dieser rohrartigen Seele des Füllkörpereinsatzes kann
alsdann auch der Innenraum dieses dichten Zentralrohres für den Durchfluß eines
Mediums ausgenutzt werden, welches von dem durch den Kreisringquerschnitt hindurchgeführten
Medium verschieden ist. Wenn die strahlenförmig nach außen abstehenden Streifen
in der bereits erläuterten Weise verschränkt werden und nachträglich eine Verzinnung
des Füllkörpereinsatzes erfolgt, dann hat diese Verschränkung in diesem Fall noch
den zusätzlichen Vorteil, daß die überflüssige Zinnmasse möglichst unge= hindert
nach dem Verzinnungsvorgang ablaufen kann. Dadurch, daß durch den Verschränkungsvorgang
die einzelnen strahlenförmig nach außen, gerichteten Streifen an ihrem Fußende nicht
spitz zulaufen, sind geringe Adhäsionskräfte für das Zinnlot gegeben, die eine Verkleinerung
des Durchströmungsquerschnittes zur Folge haben könnten.
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Man kann diesen Füllkörpereinsatz aber auch in einem Zinnbad verzinnen,
ohne diesen Füllkörper zuvor in das Rohr einzubringen. Der Füllkörpereinsatz kann
nach dem Verzinnungsvorgang in das Wärmeaustauschrohr eingebracht werden. Man kann
aber auch diesen losen Füllkörpereinsatz dazu ausnutzen; um das zugehörige Rohr
einem Reinigungsvorgang zu unterwerfen. Man erkennt hieraus, daß der Füllkörpereinsatz
gemäß der Erfindung auch ohne Wärmeaustauschrohr
allein als Reinigungsgerät
seine Bedeutung hat.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigt F i g. 1. einen Blechstreifen mit
L-förmigem Querschnitt, bei welchem der breitere Schenkel mit Einschnitten versehen
ist; in perspektivischer Darstellung, F i g. 2 einen Füllkörpereinsatz, hergestellt
aus einem Blechstreifen gemäß F i g. 1., F i g. 3 eine Wendelung des Füllkörpereinsatzes
gemäß F i g. 2 in vergrößertem Maßstab, F i g. 4 einen Querschnitt -durch die rohrartige
Seele des Füllkörpereinsatzes nach F i g. 2 mit einem V-förmigen Blecheinsatz, wiederum
in vergrößertem Maßstab, und F i g. 5 ein teilweise geschnittenes Wärmeaustauschrohr
mit eingesetztem Füllkörper.
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Der Blechstreifen 1 hat einen L-förmigen Querschnitt und weist einen
Schenkel 2 auf, der- kürzer ist als der Schenkel 3. Der Schenkel 3 ist mit Einschnitten
4 versehen, so daß sich parallel zueinander liegende Streifen 5 ergeben.
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Dieser L-förmige Blechstreifen gemäß F i g. 1 wird um einen in der
Zeichnung nicht dargestellten Kern, z. B. um einen Draht mit kreisförmigem Querschnitt,
herumgewickelt, und zwar so, daß der kürzere Schenkel 2 dieses Blechstreifens gewendelt
wird.
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Damit ergibt sich dann der in F i g. 2 dargestellte Füllkörper F.
Diese Wendelung kann nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel so vorgenommen werden,
daß die Steigung der Wendel annähernd gleich der Breite des kürzeren Schenkels 2
ist. Wird dieser Wendelungsvorgang in der beschriebenen Weise durchgeführt, so ergibt
sich, daß die Streifen 5 des breiteren Schenkels 3 des L-förmigen Blechstreifens
1 strahlenförmig, d. h. radial nach außen gerichtet, zu liegen kommen.
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Die F i g. 3 deutet an, daß die einzelnen Streifen 5 verschränkt sind.
Diese Verschränkung kann mit dem gleichen Arbeitsvorgang herbeigeführt werden, mit
welchem die Einschnitte 4 in den breiten Schenkel 3 des Blechstreifens 1 vorgenommen
werden. Die F i g. 2 deutet auch an, daß .die Steigung der Wendelung des kürzeren
Schenkels 2 des Blechstreifens 1 in der gleichen Winkelrichtung verläuft, wie der
Winkel, der der Schrägstellung des Streifens 5 entspricht.
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Wenn man den kreisförmigen Kern, um den die Wendelung des Füllkörpereinsatzes
gemäß F i g. 2 vorgenommen wurde, entfernt hat, kann in den Hohlraum der Wendel
mit dem Streifen 2 ein V-förmiger Blechstreifen 6 eingesetzt werden.
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Es empfiehlt sich, daß die radialen Streifen des Füllkörpers an ihren
freien Enden als Begrenzungslinie einen Teil einer Ellipse besitzen, die man dann
erhält, wenn man einen Zylinder mit dem Außendurchmesser des Füllkörpers in der
Ebene schneidet, welche parallel zur Blattfläche des radialen Streifens verläuft.
Hierdurch ergibt sich, daß die Enden der radialen Streifen 5 nach dem Einschieben
des Füllkörpers in ein Rohr mit entsprechendem Innendurchmesser mit der Rohrinnenwand
eine linienförmige Berührung bekommen. Die letztgenannte Maßnahme wird man dann
anwenden, wenn bei entsprechend großem Durchmesser des Wärmeaustauschrohres auf
eine entsprechend vergrößerte Linienberührung des Außenendes der radialen Streifen
mit der Rohrinnenwand Wert gelegt wird. Dies gilt auch insbesondere dann, wenn diese
radialen Streifen als Füllkörper aus irgendwelchen Gründen entsprechend breit gewählt
werden.
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Der Winkel zwischen der Ebene, welcher durch die Füllkörperlängsachse
und die Längsachse eines radialen Streifens geht, und der Ebene, welche durch die
Längsachse des gleichen radialen Streifens und durch dessen Querachse geht, kann
z. B. die Größe von 30 bis 60° aufweisen. Die radialen Streifen des Füllkörpers
können einen Querschnitt besitzen, der einem Seitenverhältnis von 1: 1 bis etwa
6 : 1 entspricht. Das von dem kürzeren Schenkel gebildete Rohr kann einen sehr unterschiedlichen
Durchmesser aufweisen, z. B. einen Innendurchmesser von 0,12- bis 0,48mal dem Außendurchmesser
des Füllkörpers. Pro Windung kann dieser Füllkörper z. B. 5 bis 30 radiale Streifen
aufweisen.
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Es ist, wie man auch aus den vorstehend erwähnten Vermessungsangaben
ersieht, ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß der zur Schaffung des Füllkörpers
bestimmte Blechstreifen eine äußerst geringe Wandstärke, z. B. von einem Bruchteil
eines Millimeters, aufweisen kann und daß man trotzdem einen durchaus stabilen Füllkörper
erhält, der sowohl beim Einbau in ein Wärmeaustauschrohr, bei der Benutzung als
Reinigungsgerät als auch den Beanspruchungen als Füllkörper im Wärmeaustauschrohr
in jeder Beziehung gewachsen ist.
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Die F i g. 5 zeigt ein Wärmeaustauschrohr 7, in dessen Ausschnitt
der Füllkörper F ersichtlich ist. Dieser Füllkörper F ist in dem geschnittenen Teil
des Rohres 7 in seinem Längsschnitt dargestellt. Man erkennt somit den in der Längsachse
geschnittenen rohrartigen Teil, wie er durch den schmalen Schenkel 2 des Blechstreifens
1 gebildet ist, mit seinen Windungen 2a. Die Linien 2a kennzeichnen die Steigung
des Wendelrohres und die Stoßflächen dieser Steigung den geschlossenen Teil durch
den Verzinnungsvorgang, der im vorliegenden Fall dann vorgenommen sein kann, nachdem
der Füllkörper F in das Rohr 7 eingebracht wird. Hierdurch sind dann auch die freien
Schenkel der Streifen 5 metallisch mit der Innenfläche des Rohres 7 verbunden.
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Der Füllkörpereinsatz F, der auch bei Verwendung von dünnwandigen
Blechstreifen 1 nach seiner Herstellung die genügende Eigenfestigkeit aufweist für
alle an ihn zu stellenden Anforderungen, hat andererseits durch den Wendelungsvorgang
eine entsprechend elastische Eigenschaft und ist deshalb auch verbiegungsfähig.
Diese Eigenschaft ist als Füllkörper für ein Wärmeaustauschrohr von besonderem Wert,
da die Einbringung des Füllkörpers in .das noch nicht vorgebogene Wärmeaustauschrohr
vorgenommen werden kann und die Verformung des Wärmeaustauschrohres z. B. in eine
übliche Gabelform sich durchführen läßt, nachdem der Füllkörpereinsatz eingebracht
wurde. Der zuvor in das gerade Wärmeaustauschrohr eingebrachte Fülleinsatz gemäß
der Erfindung unterstützt sogar den nachträglich durchzuführenden Verformungsvorgang
des Wärmeaustauschrohres selbst in dem Sinn, daß der kreisförmige Innenquerschnitt
des Rohres auch in dem Bereich seiner Krümmung beibehalten wird.