DE2848797A1

DE2848797A1 - Bauelement fuer einen waermetauscher

Info

Publication number: DE2848797A1
Application number: DE19782848797
Authority: DE
Inventors: Walter Andres; Uwe Ing Grad Heidtmann
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1978-11-10
Filing date: 1978-11-10
Publication date: 1980-05-22
Also published as: US4377199A

Description

BROWN,BOVERI & CIE AKTIENGESELLSCHAFT Mannheim . 6. Nov. 1978

Mp.-Nr. 666/78 · ZFE/Pl-Wg/Ma

"Bauelement für einen Wärmetauscher"

Die Erfindung betrifft ein Bauelement für einen Wärmetauscher, der für den Wärmetausch zwischen der Umgebung und einer Flüssigkeit vorgesehen ist, mit mindestens einer Austauschfläche, die von mindestens einem die Flüssigkeit aufnehmenden Rohr getragen ist und mit diesem in wärmeleitender Verbindung steht.

Ein bekanntes Bauelement dieser Art weist eine Austauschfläche in Form von Flanschen auf, die beidseits an ein Rohr angeformt sind. Da hierbei Rohr und Flansche einstückig ausgeführt sind, ist zwar eine gute Wärmeabfuhr

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durch die Flüssigkeit, welche, das Rohr durchströmt, gegeben, jedoch ist die Herstellung solcher Wärmeaustauschelemente insbesondere in großen Längen, wie zum Beispiel bis zu 10 m, wegen des integrierten Rohres sehr aufwendig. Hinzu kommt noch, daß die Gesamtausbildung des bekannten Bauelements aus Aluminium teuer ist und Maßnahmen zum Schutz des Rohrinnenraums gegen Korrosionen erfordert. Eine Ausbildung des Rohres aus einem korrosionsfesteren Werkstoff, wie zum Beispiel Stahl, stößt insofern auf Schwierigkeiten, da die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Rohr (Stahl) und Wärmeaüstauschflache (zum Beispiel Aluminium) eine großflächige, gut wärmeleitende Verbindung zwischen diesen beiden erschwert.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement der eingangs genannten Art anzugeben, das mit beliebiger Baulänge und bezüglich des Ausdehnungsverhaltens mit beliebiger Werkstoffpaarung von Rohr und Austauschfläche bei gleichzeitigem guten wärmeleitenden Kontakt herstellbar ist. Darüberhinaus soll das Bauelement einfach, und daher auch kostengünstig herzustellen sein und bei universeller Einsetzbarkeit den Anforderungen des Betriebs voll gewachsen sein.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Austauschfläche und das Rohr bereichsweise aneinander befestigt sind und daß zwischen wenigstens einigen in Rohrrichtung aufeinander folgenden Befestigungsbereichen jeweils mindestens ein Kompensator für die Aufnahme von Ausdehnungsdifferenzen zwischen Austauschfläche und Rohr angeordnet ist.

Durch das Einfügen der Kompensatoren ist es möglich, Rohr und Austauschfläche in den Befestigungsbereichen gut wärmeleitend aneinander zu befestigen, ohne daß die

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,Gefahr von Rissen im Befestigungsbereich gegeben ist und/öder Verwerfungen sowie Krümmungen des Bauelements auch bei sehr unterschiedlichem Wärmeausdehnungsverhalten der Werkstoffe von Rohr und Austauschfläche zu befürchten sind. Es kann somit für die Wärmeaustauschfläche ein Material mit guter Wärmeaufnahmefähigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Aluminium oder Kupfer gewählt werden, wogegen das Rohr aus Stahl hergestellt sein kann und somit bei entsprechender Auswahl seines Querschnitts in der Lage ist, die Austauschflächen ohne besondere zusätzliche Abstützungen frei zu tragen. Die Befestigung der Austauschflächen an den Rohren kann beliebig sein, zum Beispiel durch Schweißen, Löten oder formschlüssige Verfahren, bei denen schraubenförmig um die Außenfläche des Rohrs umlaufende Erhebungen in das Material der Austauschflächen eingepreßt sind, wesentlich ist lediglich ein gut wärmeleitender Kontakt sowie ausreichende mechanische Befestigung.

Ein besonders guter Ausgleich von verschiedenen Wärmeausdehnungen kann dann erreicht werden, wenn zwischen sämtlichen Befestigungsbereichen Kompensatoren angeordnet sind.

Die Kompensatoren können sowohl von der Wärmeaustauschfläche als auch vom Rohr oder von beiden gebildet sein. Eine bevorzugte Ausgestaltung, bei welcher der Kompensator von der Austauschfläche gebildet ist, kann darin bestehen, daß der Kompensator im wesentlichen aus mindestens einer quer zur Rohrrichtung verlaufenden Falte der Wärmeaustauschfläche besteht.

Eine andere sehr einfache Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß der Kompensator im wesentlichen aus einer etwa quer zur Rohrrichtung in der Austauschfläche angeordneten Trennfuge besteht. Hierbei verläuft

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die Trennfuge beziehungsweise' Falte vorzugsweise etwa rechtwinklig zur Rohrrichtung.

Ist das Rohr für den Ausgleich der Ausdehnungsdifferenzen vorgesehen, so kann eine andere Weiterbildung der Erfindung darin bestehen, daß der Kompensator von wenigstens einer etwa rechtwinkligen Abbiegung des Rohres gebildet ist. Die Wirkung ist hierbei am besten, wenn vorteilhaft der Kompensator aus einer ü-förmigen Rohrschleife besteht.

Bei einer Führung des Rohres in Form etwa eines Mäanders ist es am einfachsten, wenn der Kompensator von jeweils einem Schenkel des Mäanders gebildet ist. Ähnlich ist bei einer treppenförmigen Ausbildung des Rohres der Kompensator von wenigstens einer Treppenstufe gebildet.

Weitere Vorteile sowie empfehlenswerte Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den schematischen Figuren hervor. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Bauelement gemäß der Erfindung mit einem Kompensator in Form einer Falte der Austauschfläche in Aufsicht,

Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1 in Seitenansicht,

Fig. 3 den Ausschnitt III der Fig. 2 in größerem Maßstab.

Fig. 4 ein Bauelement mit Kompensatoren in Form von Trennfugen,

Fig. 5 eine Seitenansicht des Gegenstands der Fig. 4

im Bereich der Trennfuge und in größerem Maßstab,

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.. Fig. 6 eine Austauschfläche mit einem Rohr in Rückansicht, wobei die Kompensatoren durch Abwinkelungen des Rohres gebildet sind,

Fig. 7 die Rückansicht einer Austauschfläche, wobei die Kompensatoren durch Ü-förmige Rohrschleifen gebildet sind,

Fig. 8 eine Ausführungsvariante des Gegenstands der Fig. 7 in Seitenansicht, 'wobei die Rohrschlei-

etwa senkrecht zur Austauschfläche verlaufen,

Fig. 9 die Rückansicht einer Austauschfläche mit

einem Rohr in Form eines Mäanders und 15

Fig. 10 die Rückansicht einer Austauschfläche mit

einem treppenförmigen Verlauf des- Rohres und von Treppenstufen gebildeten Kompensatoren.

Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 besteht die Austauschfläche 12 aus einem rechteckigen Blech, dessen lange Seite ein Vielfaches der kurzen Seite ist. Als Anhaltswert für die kurze Seite kann ein Wert von 0,2 m bis 1 m, vorzugsweise 0,3 m bis 0,6 m, gelten. Auf der Rückseite der Austauschfläche 12 ist etwa in der Mitte und parallel zur längeren Seite verlaufend das gerade Rohr 14 befestigt, wobei die Anschlußenden 16 des Rohres die Schmalseiten der Austauschfläche 12 überragen. Ein einziges Rohr 16, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, wird man nur bei schmaler Austauschfläche verwenden, bei breiterer Austauschfläche zum Beispiel über 0,2 m wird man mehrere parallel

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. verlaufende Rohre verwenden uifi eine gute Wärmeabfuhr von den Austauschflächen zu erzielen.

Wie insbesondere in der Seitenansicht nach Figur 2 deutlieh zu erkennen, ist die Austauschfläche 12 nicht auf ihrer gesamten Länge sondern nur in Befestigungsbereichen 18 am Rohr 14 gut wärmeleitend befestigt. Zwischen diesen Befestigungsbereichen 18 ist jeweils ein Kompensator 20 angeordnet, der aus einer Falte 22 der Wärmetauschfläche 12 besteht, wobei die Wärmetauschfläche im Bereich des Kompensators beziehungsweise der Falte nicht am Rohr 14 befestigt ist und somit in der Lage ist, eventuelle Ausdehnungsunterschiede zwischen Rohr und Austauschfläche aufzunehmen.

Die Ausbildung des Kompensators 20 beziehungsweise der Falte 22 ist in Figur 3, welche eine Seitenansicht in größerem Maßstab darstellt, besonders gut zu erkennen. Danach weisen die Falten 22 jeweils einen unter dem Winkel oC vom geraden Rohr 14 wegweisenden Bereich 24 auf, der an seinem Ende mit dem vorzugsweise rechtwinklig zum Rohr 14 zurückführenden zweiten Bereich 26 versehen ist, in welchem gegebenenfalls nochmals eine weitere Falte angeordnet sein kann. Der Winkel gL ist hierbei so gewählt, daß bei Anbringung des Bauelements auf Steildächern mit üblicher Neigung und mit in Richtung der Neigung zeigendem Bereich 24 sich keinerlei Wasser auf dem Bereich 24 ansammeln kann sondern.nach unten abläuft.

Die Größe der Falte 22 ist auf den Einzelfall abzustimmen, für den zweiten Bereich 26 kann als Anhalt eine Erstreckung (quer zum Rohr 14) von etwa 2 bis 5 cm gelten, bei einer Länge des Bereichs 24 von etwa 5 bis 15 cm.

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Wie aus den Figuren 1 und 2 weiter zu ersehen, sind die Kompensatoren 20 etwa in regelmäßigen Abständen angeordnet. Bei der Verwendung von Aluminium als Austauschfläche 12 und Stahl als Rohr 14 gilt als Richtwert für den Befestigungsbereich 18 eine Lange von etwa 25 bis 50 cm, vorzugsweise 30 bis 40 cm.

Um mit einem Wärmetauscher gemäß der Erfindung Umgebungswärme aufnehmen zu können, wird dieser insbesondere an sonnenbestrahlten Außenflächen von Gebäuden, wie Wänden oder Dächern befestigt und durch das Rohr 14 eine Wärmeträgerflüssigkeit geleitet, welche die von der Austauschfläche 12 aufgenommene Umgebungswärme einem Heizungssystem zuführt. Hierbei können zur Vergrößerung der Austauschfläche 12 mehrere Bauelemente nebeneinander angeordnet und an ihren Längsseiten wasserdicht verbunden sein, so daß ein solcher Wärmetauscher die Funktion eines Daches übernehmen kann. Hierbei sind der Länge eines Bauelements kaum Grenzen gesetzt, da Längenausdehnungsunterschiede zwischen Rohr 14 und Austauschfläche 12 durch die Kompensatoren 20 aufgenommen werden. Es ist daher möglich, die Austauschfläche aus gut wärmeleitendem Material wie Kupfer oder Aluminium herzustellen, wogegen das Rohr 14 aus gegenüber dem Wärmeträger korrosionsfestem, stabilem Material wie Stahl besteht. Insbesondere jedoch ist die erfindungsgemäße Ausbildung des Bauelements auch dann erforderlich, wenn als Wärmeträger ein Medium benutzt wird, dessen Temperatur unterhalb der Umgebung'slufttemperatur liegt, wie es zum Beispiel beim Einsatz des Wärmetauschers als Verdampfer einer Wärmepumpe der Fall sein kann, und die Wärmetauschfläche hohen Temperaturen (z.B. etwa 65° C) durch Sonneneinstrahlung erreicht.

Auch ist der umgekehrte Fall, nämlich heißes Rohr und kalte Austauschfläche möglich, z.B. beim Einsatz des Bauelements als Kondensator einer Kältemaschine.

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ΐη Figur 4 ist die Ansicht eines Bauelementes mit einer Wärmetauschfläche 12 von ebenfalls rechteckiger Form dargestellt, wobei auf der Rückseite zwei Rohre 14 befestigt sind. Für die Aufnahme von Wärmeausdehnungen sind hierbei vorzugsweise in regelmäßiger Folge Trennfugen 28 vorgesehen, die etwa rechtwinklig zu den geraden Rohren 14 verlaufen und die Austauschfläche 12 in Einzelflächen 30 aufteilen. Die Breite einer solchen Trennfuge 28 beträgt jeweils 1 bis 5 cm. In Figur 5 ist der Bereich einer solchen Trennfuge in größerem Maßstab und in Seitenansicht dargestellt. ·"

Ein Wärmetauscher gemäß den Figuren 4 und 5 mit Trennfugen eignet sich selbstverständlich nicht für die wasser-

■J5 dichte Abdeckung eines Gebäudes. Er kann deshalb nur über Bedachungen oder an Wänden Verwendung finden. Vorteil haft ist jedoch, daß bei solcher anbringung Umgebungsluft durch die Trennfugen 28 auf die Rückseite des Wärmetauschers gelangen und somit der Umgebung Wärme in verstärktem Maße entzogen werden kann.

Figur 6 zeigt die Rückansicht einer rechteckigen, ebenen Austauschfläche 12 mit einem etwa in der Mitte dieser Fläche in Längsrichtung verlaufenden Rohr 14, das zwischen Befestigungsbereichen 18, Kompensatoren 20 aufweist, welche die Form von Abwinkelungen 32 des Rohres aufweisen. Diese Abwinkelungen 32 sind vorzugsweise rechtwinklig, so daß wie aus Figur 6 ersichtlich, das Rohr 14 vor und nach der Abwinkelung 32 etwa in die gleiche Richtung zeigt.

Figur 7 zeigt einen Wärmetauscher mit ebenfalls einer geschlossenen ebenen Austauschfläche 12 und einem etwa in der Mitte der Austauschfläche in Längsrichtung verlaufenden Rohr 14. Die Kompensatoren 20, welche zwischen

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. den Befestigungsbereichen 18 eingefügt sind, weisen hier die Form von U-förmigen Rohrschleifen 34 auf, die in einer Ebene liegen, welche zur Ebene der Austauschfläche 12 etwa parallel ist. Die Ausladung a der Rohrschleife 34 beträgt etwa das Drei- bis Zehnfache des Außendurchraessers des Rohres 14, und der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Befestigungsbereichen 18 beträgt das Fünf- bis Fünfzehnfache des Außendurchmessers des Rohres 14.

Figur 8 zeigt eine Ausführuhgsvariante des Wärmetauschers gemäß Figur 7 als Seitenansicht. Der Unterschied gegenüber Figur 7 besteht darin, daß die Rohrschleife 34 senkrecht zur Austauschfläche 12 angeordnet ist.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9, welche die Rückansicht einer rechteckigen, ebenen Austauschfläche 12 zeigt ist das Rohr 14 in Form eines Mäanders gewunden, der weite Bereiche der Austauschfläche 12 abdeckt. In der oberen Hälfte der Figur 9 ist der Kompensator 20 jeweils vom vertikalen Schenkel 36 des Mäanders gebildet, wogegen der andere Schenkel des Mäanders den Befestigungsbereich 18 bildet. In der unteren Hälfte der Figur 9 dagegen besteht der Kompensator 20 jeweils aus dem geneigt verlaufenden Schenkel 38 des Mäanders und der vertikale Schenkel bildet den Befestigungsbereich 18.

Schließlich -zeigt Figur 1Ö eine ebene, rechteckige Aus- .

tauschfläche 12 in Rückansicht mit einem Rohr 14, das treppenförmig ausgebildet ist, wobei sich die Richtung der Treppe etwa auf halber Höhe der Austauschfläche 12 umkehrt. Der zwischen den Befestigungsbereichen 18 des Rohres 14 liegende Kompensator 20 ist hierbei jeweils von einer Treppenstufe 40 gebildet, für deren Dimension

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die Ausführungen zu Figur 6 herangezogen werden können.

Es leuchtet ein, daß durch die Anordnung von Kompensatoren Bauelemente von beliebiger Länge ohne die Gefahr von Verwerfungen und/oder Krümmungen und/oder Rissen in den Befestigungsbereichen hergestellt werden können. Weisen hierbei die Bauelemente geschlossene Austauschflächen 12 auf, wie dies in den Figuren 1, 2 und 6 bis 10 dargestellt ist, so können diese Bauelemente als Bedachung von Gebäuden eingesetzt werden, wozu diese an ihren Rändern miteinander zu_s- verbinden sind, zum Beispiel durch H-förmige, elastische Verbindungsstücke, zum Beispiel aus Gummi, die zwischen die zu verbindenden Austauschflächen eingefügt sind.

Selbstverständlich kann die Austauschfläche auch gekrümmt sein, so daß sich mit solch η Bauelementen gewölbte Wärmetauscher herstellen lassen. Auch ist es möglich, die vorgenannten Wärmetauscher in Gehäusen anzuordnen und mit einer die Sonnenstrahlung durchlassenden Abdeckung zu versehen.

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eerseite

Claims

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Ansprüche

l.j Bauelement für einen Wärmetauscher, der für den Wärm&feausch zwischen der Umgebung und einer Flüssigkeit vorgesehen ist, mit wenigstens einer Austauschfläche (12), die von mindestens einem die Flüssigkeit aufnehmenden Rohr (14) getragen ist und mit diesem in wärmeleitender Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauschfläche (12) und das Rohr (14) bereichsweise aneinander befestigt sind und daß zwischen wenigstens einigen in Rohrrichtung aufeinanderfolgenden Befestigungsbereichen (18) jeweils mindestens ein Kompensator (20) für die Aufnahme von Ausdehnungsdifferenzen zwischen

Austauschfläche (12) und Rohr (14) angeordnet ist. 15
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen sämtlichen Befestigungsbereichen (18) Kompensatoren (20) angeordnet sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator (20) im wesentlichen

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aus mindestens einer quer zur'Rohrrichtung verlaufenden Falte (22) der Austauschfläche (12) besteht (Fig. 1 bis 3).
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator (20) im wesentlichen aus einer etwa quer zur Rohrrichtung in der Austauschfläche (12) angeordneten Trennfuge (28) besteht (Fig. 4 und 5).
5. Wärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Falte (22) beziehungsweise die Trennfuge (28) etwa rechtwinklig zur Rohrrichtung verläuft.
6. Wärmetauscher nach einem ^er Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator von wenigstens einer etwa rechtwinkligen Abbiegung (32) des Rohres (14) gebildet ist (Fig. 6).
7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator (20) aus einer U-förmigen Rohrschleife (34) besteht (Fig. 7 und 8).
8. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ausbildung des Rohres (14) etwa in Form eines Mäanders der Kompensator (20) von jeweils einem Schenkel (36 beziehungsweise 38) des·Mäanders gebildet ist (Fig. 9).
9. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer treppenförmigen Ausbildung des Rohres (14) der Kompensator (20) von wenigstens einer Treppenstufe (40) gebildet ist (Fig. 10).

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