DE2925967A1 - Verfahren zum herstellen von waermeaustauschern - Google Patents
Verfahren zum herstellen von waermeaustauschernInfo
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Description
cI Oft;.
Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschern
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschern der Art mit einem
Rippenblock aus porösem Metall mit einer Vielzahl zusammenhängender Poren, durch die eines der Wärmeaustauschfluide
strömt. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wärmeaustauscher werden zur Bewirkung
eines Wärmeaustausches zwischen zwei Fluiden unterschiedlicher Temperaturen verwendet und finden viele
Anwendungen. Beispielsweise können die Wärmeaustauscher als Wärmeaustauscher für eine Ventilator-Schlange-Einheit
und Verdampfer und Kondensatoren für Kühlvorrichtungen und Klimaanlagen verwendet werden, bei denen Luft als
eines der Wärmeaustauschfluide verwendet wird.
Der Stand der Technik bezüglich der Erfindung umfaßt einen Wärmeaustauscher nach der JP-OS 154 853/75,
der einen Rippenblock aufweist, der aus einem geschäumten
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Metallkörper gebildet ist, der durch Zusatz eines schaumbildenden Mittels zu einer Metallschmelze zwecks Aufschäumung
derselben erzeugt wurde. Auch ist ein in der JP-OS 23 848/76 beschriebener Wärmeaustauscher bekannt,
der einen Metallrippenblock verwendet, der durch Verbindung von Metallteilchen z. B, durch ein Sinterverfahren
hergestellt wird. Jedoch hat der erstere den Nachteil, daß der auf das durch die mit Hilfe der Poren gebildeten
Kanäle strömende Fluid einwirkende Strömungswiderstand erhöht ist, da sehr dünne Verbindungsteile zwischen den
zusammenhängenden Poren verengt sind und unabhängige,
unzusammenhängende Poren im Metallrippenblock zu
entstehen neigen. Weiter ist es schwierig, den Schaummetall-Rippenblock
mit gleichmäßiger Dichte über den gesamten Querschnitt zu erhalten. Bei dem letzteren
bekannten Wärmeaustauscher liefern Spalte zwischen den Metallteilchen Kanäle für Fluide. Bei diesem Aufbau ist
es schwierig, einen hohen Prozentsatz an Spaltquerschnitt im erzeugten Metallrippenblock zu erzielen- Außerdem leidet
dieser bekannte Wärmeaustauscher an hoher Produktionszeit sowie hohem Preis. Wegen der bei den oben beschriebenen
bekannten Wärmeaust auschern angetroffenen Probleme wurden sie praktisch auf dem zugehörigen
Einsatzgebiet kaum verwendet.
Gegenwärtig ist es die übliche Praxis, Wärmeaustauscher mit plattenartigen Rippen zu verwenden. Die Mehrzahl
der gegenwärtig üblicherweise verwendeten Wärmeaustauscher sind Wärmeaustauscher des Kreuzrippentyps, bei denen
eine große Zahl von plattenartigen Rippen am Wärme-*
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Übertragungsrohr senkrecht zu dessen Längsachse dicht nebeneinander befestigt sind, um die Wärmeübergangsfläche
weitestgehend zu steigern.
Unabhängig davon, ob das Wärmeübertragungsrohr aus einer Rohrschlange oder aus einer Mehrzahl von mittels
eines Sammelrohres untereinander verbundenen parallelen Rohren besteht, müssen die Rohre untereinander verbunden
werden, nachdem die Rippen daran in einer Vielzahl von Reihen befestigt wurden. Die Fertigung eines
Wärmeaustauschers erfordert so zahlreiche Verfahrensschritte einschließlich des Zusammenbaues der Teile, der
mühevoll ist, und die Produktivität ist gering, da diese Verfahrensschritte zu ihrer Durchführung eine lange
Zeit beanspruchen. Bei Wärmeaustauschern des Kreuzrippentyps strömt Fluid durch die Spalte zwischen den
Plattenrippen oder Lamellen. So ist es unmöglich, den Wärmeübergangsquerschnitt durch Verengen der Spalte
und Erhöhen der Rippenzahl zu steigern, weil eine solche Maßnahme zu einer Erhöhung des auf die Fluidströmung
einwirkenden Widerstandes führt und Beschränkungen der Verarbeitung der Rohre und Rippen vorliegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschern zu
entwickeln, das die erwähnten Nachteile der bekannten Wärmeaustauscher durch Ausnutzung neuer Herstellungstechniken zur Fertigung von Wärmeaustauschern mit hohem
Wärmeübergangswirkungsgrad, geringem Gewicht und kompakten Abmessungen überwindet.
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Nach dem Prinzip gemäß der Erfindung werden aus
einem Metallkörper mit zusammenhängenden, dreidimensionalen Hohlräumen von Netzwerkform gebildete Rippenformen
unter Verwendung von verzehrbaren Modellen hergestellt, eine Mehrzahl solcher Rippenformen wird
mit einem vorab zu einer Schlangen- oder anderen geeigneten Form vorbereiteten Warmeübertragungsrohr derart zusammengesetzt,
daß geeignete Abstandszwischenräume zwischen den Rippenformen selbst und zwischen diesen und dem Warmeübertragungsrohr
definiert werden, und eine Metallschmelzencharge wird in die Hohlräume in den Rippenformen
sowie in die Abstandszwischenräume gegossen. Nach der
Entfernungfcles Materials der Rippenformen erhält man den
Wärmeaustauscher mit einem Wärmeübertragungsrohr und einenj
den Plattenrippen des Standes der Technik entsprechenden Rippenblock, der das Wärmeübertragungsrohr umgibt,
wobei eine Mehrzahl von Rippenplatten an Stellen im Rippenblock angeordnet sind. Der Rippenblock und die
Rippenplatten werden mit dem Wärmeübertragungsrohr einstückig
verbunden, wenn die Metallschmelzencharge in die Rippenformen gegossen wird.
Gegenstand der Erfindung ist daher nach einer ersten Alternative ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeaustauschers
mit einem Warmeübertragungsrohr und Rippen, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
1) Gießen eines formbildenden Materials im flüssigen
Zustand in zusammenhängende, dreidimensionale Hohlräume in Kunststoffmodellen zur Herstellung von modellenthaltenden
Formen;
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2) Entfernung der Kunststoffmodelle aus den modellenthaltenden
Formen durch Erhitzen od. dgl. zum Erhalten von Rippenformen;
3) Zusammensetzen einer Mehrzahl dieser Rippenformen mit einem Wärmeübertragungsrohr, das vorher in eine
Schlangen- oder andere geeignete Gestalt derart geformt wurde, daß die Rippenformen das Wärmeübertracungsrohr
mit geeigneten zwischen den Rippenformen selbst und zwischen diesen und dem Wärneübertragungsrohr
definierten Abstandszwischenräumen umgeben, um dadurch eine Rippenblockform mit darin ausgebildeten zusammenhängenden,
dreidimensionalen Hohlräumen herzustellen;
4) Gießen von Metallschmelze unter Druck in die zusammenhängenden, dreidimensionalen Hohlräume in der
Rippenblockform und in die Abstandszwischenräume und Erstarrenlassen der Metallschmelze; und
5) Entfernung des Materials der Rippenblockform und dadurch Fertigstellung des Wärmeaustauschers, in dem ein
poröser Metallblock mit darin ausgebildeten zusammenhängenden, dreidimensionalen Poren und mit dem porösen
Metallblock verbundene Rippenplatten einstückig an dem Wärmeübertragungsrohr befestigt sind.
Nach einer zweiten Alternative ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeaustauschers
mit einem Wärmeübertragungsrohr und Rippen, das durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet ist:
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1) Gießen eines formbildenden Materials im flüssigen Zustand in zusammenhängende/ dreidimensionale Hohlräume
in Kunststoffmodellen zur Herstellung von modellenthaltenden
Formen;
2) Zusammensetzen einer Mehrzahl dieser modellenthaltenden Formen mit einem Wärmeübertragungsrohr, das vorher in
eine Schlangen- oder andere geeignete Gestalt derart geformt wurde, daß die modellenthaltenden Formen das
Wärmeübertragungsrohr mit geeigneten zwischen den modellenthaltenden Formen selbst und zwischen diesen und dem
Wärmeübertragungsrohr definierten Abstandszwischenräumen umgeben;
3) Entfernung der Kunststoffmodelle aus den modellen
thaiienden Formen durch Erhitzen od. dgl. zum Erhalten einer Rippenblockform mit darin ausgebildeten zusammenhängenden,
dreidimensionalen Hohlräumen;
4) Gießen von Metallschmelze unter Druck in die zusammenhängenden, dreidimensionalen Hohlräume in der
Rippenbloekform und in die Äbstandszwischenräume und
Erstarrenlassen der Metallschmelze; und
5) Entfernung des Materials der Rippenblockform und dadurch Fertigstellung des Wärmeaustauschers, in dem
ein poröser Metallblock mit darin ausgebildeten zusammenhängenden, dreidimensionalen Poren und mit dem porösen
Metallblock verbundene Rippenplatten einstückig an dem Wärmeübertragungsrohr befestigt sind.
Für die Metallschmelze verwendet man vorzugsweise Metall hoher Wärmeleitfähigkeit.
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- IO -
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin
zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Form des nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wärmeaustauschers;
Fig. 2 bis 6 Perspektivansichten mit einigen weggeschnittenen Teilen anderer Formen von dach
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wärmeaustauschern;
Fig. 7 und 8 in vergrößertem Maßstab Darstellungen der Rippenblöcke, die einen Teil der in den
Fig. 1 bis 6 dargestellten Wärmeaustauscher bilden;
Fig. 9A, 9B, 9C und 9D Schnittdarstellungen zur
beispielsweisen Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von Wärmeaustauschern;
Fig. 10 «ine Schnittansicht zur beispielsweisen Veranschaulichung der Art, in der eine Metallschmelzencharge
in die Rippenblöcke nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingeführt wird;
Fig. ]] und 12 Perspektivansichten zur Darstellung von
bei der Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauschers verwendeten Rippenformen;
Fig. 13 eine Perspektivansicht zur Darstellung der Rippenformen nach Fig. 11 und 12 nach dem Zusammenbau
mit einem schlangenförmigen Wärmeübertragungsrohr zur Herstellung des in Fig. 1 dargestellten
Wärmeaustauschers;
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Fig. 14 eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung der Lagebeziehung zwischen dem Wärmeübertragungsrohr
und den Rippenformen, die in Fig. 13 dargestellt sind;
Fig. 15 und 16 Perspektivdarstellungen zur Veranschaulichung
äußerer bzw. innerer Rippenformen, die zur Herstellung der in Fig. 2
bis 6 dargestellten Wärmeaustauscher verwendet werden; und
Fig. 17 bis 21 Perspektivdarstellungen zur Veranschaulichung
der Rippenformen nach Fig. und 16 nach dem Zusammenbau mit einem
schlangenförmigen Wärmeübertragungsrohr zur Herstellung der in den Fig. 2 bis 6
dargestellten Wärmeaustauscher.
Fig. 1 bis 6 zeigen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellte Wärmeaustauscher. Wie dargestellt, weist jeder ,Wärmeaustauscher ein vorab in Form eines
schlangenförmigen Rohres hergestelltes Wärmeübertragungsrohr 1, einen Rippenblock 2 großer Dicke, dar das
Wärmeübertragungsrohr 1 derart umgibt, daß die Enden des Rohres 1 unbedeckt gelassen sind und nach außen
freiliegen, und eine Mehrzahl von Rippenplatten 3 auf, die jeweils in einer geeigneten Lage im Rippenblock
liegen und am Wärmeübertragungsrohr 1 befestigt sind. Der Rippenblock 2 und die Rippenplatten 3 sind mit dem
Wärmeübertragungsrohr 1 einstückig durch Gießen verbunden. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauscher
sind gerade Teile des Rohres 1 im Rippenblock 2 eingebettet.
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während die Krümmungen des Rohres 1 unbedeckt und nach
außen freiliegend wie die Enden des Rohres 1 gelassen sind. Bei den in Fig. 2 bis 6 dargestellten Wärmeaustauschern
sind sowohl die geraden Teile als auch die Krümmungen des Rohres 1 im Rippenblock 2 eingebettet.
Der Rippenblock 2 ist aus porösem Metall mit Rippen 4 von Faserlinienform gebildet, die in einem Skelettaufbau
zur Bildung einer Vielzahl von Poren im Rippenblock 2 angeordnet sind. Die Rippen 4 können
von einfacher Faserlinienform sein, wie in vergrößertem Maßstab in Fig. 7 dargestellt ist, oder eine unregelmäßige
Faserlinienform mit Vorsprüngen und Vertiefungen aufweisen, wie in veraößertem Maßstab in
Fig. 8 dargestellt ist. Luft strömt durch die Poren 5, und Wärmeaustausch findet zwischen der Luft und einem
Fluid, wie z. B. Wasser und Kühlmittel, das durch .das Wärmeübertragungsrohr 1 fließt, durch die Rippen 4
im Rippenblock 2 und die am Wärmeübertragungsrohr 1 und den Rippen 4 befestigten Rippenplatten 3 statt.
Es soll nuntdas erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen
der in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Wärmeaustauscher beschrieben werden.
Der in Fig. 1 gezeigte Wärmeaustauscher ist von der Art, bei der nur die geraden Teile des Wärmeübertragungsrohres
1, das in der Form einer Rohrschlange hergestellt ist, vom Rippenblock 2 eingeschlossen sind,
während die Krümmungen und die Enden des Rohres 1 vom Rippenblock 2 unbedeckt und nach außen freiliegend
gelassen sind.
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Zur Herstellung des in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauschers wird ein Modell 6 für den Rippenblock 2
gemäß Fig. 9A aus einem porösen Kunststoff hoher Luftdurchlässigkeit, wie z. B. aufgeschäumten Polyurethan,
gebildet, der zusammenhängende Hohlräume aufweist. Das Modell 6 wird mit einer Nut an dessen einer Seite
oder an dessen beiden Seiten ausgebildet, um eine Einpassung des geraden Teils des Wärmeübertragungsrohrs
zu ermöglichen. Das Modell 6 wird dann/ wie in Fig. 9B
gezeigt ist, in einen Rahmen 7 eingepaßt, und ein formbildendes Material 8 in fluidem oder flüssigem Zustand
wird in Hohlräume 6a im Modell- 6 eingefüllt, um dadurch eine modellenthaltende Torm zu schaffen. Als "formbildendes
Material können eine Gipspulver und Wasser enthaltende Trübe, eine mit Kochsalz und Wasser versetztes
Gipspulver enthaltende Trübe, ein SIG^-Puiver
einer Teilchengröße -von unter Q,O53 mm und -ein
aus fiJhylsilikat bestehendes Bindemittel enthaltende
Trübe,..industrieller-Äthylalkohol und Wasser oder ein
anderes übliches formbildendes Material verwendet werden-Die nach vorstehender Erläuterung hergestellte modellen
thai tende Form, in der das Kunst stoff modell 6
mit dem formbildenden Material 8 gefüllt ist, wird einem Brennen od. dgl. unterworfen, um das Kunststoff modell
heraus zubrennen oder zu entfernen, um dadurch ilie zusammenhängenden Dendritenrippen 4 des Skelettaufbaus
mit den darin vorhandenen Poren S zu bilden.
In dieser Weise stellt man eine Rippenform 9 (Fig. 11), die an ihren beiden Seiten mit je einer Nut 11 zur
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passenden Aufnahme eines geraden Teils des Wärmeübertragungsrohres
1 ausgebildet ist, und eine Rippenform (Fig. 12) her, die nur an ihrer einen Seite mit einer
Nut 11 zur passenden Aufnahme eines geraden Teils des Rohres 1 ausgebildet ist. Die Rippenformen 9 und"10
werden vorzugsweise mit den jeweiligen Gestalten versehen ,wenn die Kunststoffmodelleö hergestellt werden.
Jedoch können die Rippenformen 9 und 1O mit ihren Gestalten auch versehen werden, nachdem die Kunststoffmodelle
6 mit dem formbildenden Material gefüllt und die mode11enthaltenen Formen hergestellt sind. Die Nuten
werden derart geformt, daß ihr Durchmesser etwas größer als der Durchmesser <les Wärmeübertragungsrohres
ist.
Eine Mehrzahl der Rippenformen 9 und 10 wird mit dem Wärmeübertragungsrohr 1 der Schlangenform unter
Anordnung längs zur Längsrichtung des Rohres 1 zusammengesetzt, wie Fig. 13 zeigt. Seim Zusammensetzen der
Rippenformen 9 und 1D mit dem schlangenförmigen Wärmeübertragungsrohr
1 werden Abstandszwischenräume 12
zwischen den Rippenformen 9 und 1O selbst und a/ischen
den Rippenformen9 und 10 und dem Rohr 1 definiert, wie
Fig. 14 zeigt. Anschließend an das Zusammensetzen der
Rippenformen 9 und 10 mit dem Wärmeübertragungsrohr 1 entsprechend Fig. 13 zur Herstellung einer Rippenblockform
wird der Rippenblockform in einem Metallrahmen 13 angeordnet, wie Fig. UC zeigt, und man gießt oder füllte
Metallschmelze 14 in die Hohlräume in der Rippenblockform, nachdem der Druck in den Hohlräumen entweder erhöht
oder verringert wurde. Man kann ein Metall guter Wärme-
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leitfähigkeit, wie ζ. Β. Aluminium, Kupfer, Eisen usw., als Material für die Metallschmelze verwenden.
Man kann hierfür auch irgendeine Eisenbasislegierung oder ein Nichteisenmetall, wie z. B, Blei, Zinn, Zink,
Magnesium usw., einsetzen. Eine Metallschmelzencharge kann in die Hohlräume in der Rippenblockform beispielsweise
gegossen oder gefüllt werden, wie in Fig. gezeigt ist. Nach der Darstellung wird der Metallrahmen
mit der darin eingesetzten Rippenblockform in einem Druckkessel 16 angeordnet, der .in seinem unteren Teil
einen Tiegel 15 enthält. Der Tiegel 15 ist mit der Metallschmelze 14 gefüllt, die durch Erhitzen und
Schmelzen des Metalls mittels einer elektrischen' Heizung
oder einer anderen Heizquelle 17 erzeugt wuide. Die
Metallschmelze 14 wird durch Druckluft od. dgl. unter Druck gesetzt, die'in den Druckkessel 16 durch ein-Einspeisungsrohr
18 eingeführt wird, und durch einen Kanal 19 in die Hohlräume in der Rippenblockform und
in die Abstandszwischenräume 12 gegossen. Nachdem die
in die Hohlräume und die Abstandszwischenräume gegossene
Metallschmelze erstarrt ist, wird die Rippenblockform
aus dem Metallrahmen 13 entnommen, und das Formmaterial
wird beseitigt, indem man die Rippenblockform in Wasser entsprechend Fig.'9D eintaucht, die Rippenblockform
in Vibrationen versetzt, die Rippenblockform auf hohe Temperatur erhitzt oder ein anderes geeignetes Verfahren
anwendet. In dieser Weise erhält man einen Wärmeaustauscher,
der das schlangenförmige Wärmeübertragungsrohr 1,
den Rippenblock 2 aus porösem Metall, der aus den Rippen 4 von Faserlinienform zusammengesetzt ist, die
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in einem Skelettaufbau zur Bildung der Vielzahl von zusammenhängenden, dreidimensionalen Poren 5, wie in
Fig. ι oder 8 dargestellt ist, angeordnet sind, und die Rippenplatten 3 enthält, die im Rippenblock 2
an den geraden Teilen des schlangenform!aen Rohres 1
zur Festlegung des Rippenblocks am schlangenförmigen
Rohr 1 angeordnet sind. Der Rippenblock 2 schließt im wesentlichen das ganze Wärmeübertragungsrohr 1
mit Ausnahme dessen Enden und Krümmungen ein, die unbedeckt und nach außen freiliegend gelassen sind. Nach der
vorstehenden Beschreibung sind die vorab erzeugten Rippenformen als mit dem Wärmeübertragungsrohr unter
geeigneten Abstandszwischenräumen zwischen den Formen
selbst und zwischen den Formen und dem schlangenförmigen Wärmeübertragunqsrohr zusammengebaut erläutert. Jedoch
ist die Erfindung auf dieses Verfahren nicht beschränkt, und modellenthaltende Formen können in der in Fig.
und 12 gezeigten Form gestaltet, danach entsprechend Fig .13 zusammengesetzt und danach der Erhitzung oder der
anderen Beseitigungsart der Kunststoffmodelle ohne
Zurücklassen eines Rückstands unterworfen werden, um dadurch eine Rippenblockform mit zusammenhängenden Hohlräumen
zu erhalten.
Die in Fig. 2 bis 6 gezeigten Wärmeaustauscher weisen sowohl die geraden Teile als auch die Krümmungen des
Wärmeübertragungsrohres 1 im Rippenblock 2 nach Formung des Rohres 1 zur Schlangenform eingebettet auf. Bei der
Herstellung dieser Art von Wärmeaustauschern werden eine äußere Rippenform 20 und eine innere Rippenform 21,
die in Fig. 15 bzw. 16 gezeigt sind, als Formteile verwendet,
die um die Krümmungen des schlangenförmigen
Wärmeübertragungsrohres 1 anzuordnen sind, und die Rippenformen 9 und 1O werden als Formteile verwendet,
die um die geraden TeiLe des Rohres 1 anzuordnen sind. Kunststoffmodelle und formbildendes Material werden
zur Herstellung der in Fig. 11 und 12 gezeigten Rippenformen
9 und IO und der äußeren Rippenform 20 sowie
der innere»Rippenform 21, die in Fia. 15 bzw.
gezeigt sind, in der gleichen Weise, wie im
Zusammenhang mit dem Wärmeaustauscher nach Fig. 1 beschrieben ist verwendet. Wenn der herzustellende
Wärmeaustauscher so gestaltet ist, wie Fig. 2 zeigt, werden die Rippenformen 9 und 10, die äußere Rippenform 20
und die innere Rippenform 21 mit dem Rohr 1 zusammengesetzt, wie Fig. 17 zeigt, wobei die Abstandszwischenräume
zwischen den Formen selbst und zwischen den Formen tind
dem Rohr vorgesehen werden, wie sie Fig. 14 zeigt. Danach
gießt oder füllt man Metallschmelze in die Rippenblockform, und dann wird das Formmaterial in der gleichen
Weise, wie im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauscher beschrieben, entfernt, um den in
Fig. 2 dargestellten Wärmeaustauscher herzustellen, der das Wärmeübertragungsrohr 1, den die geraden . Teile
und die Krümmungen des Rohres 1 einschließenden Rippenblock 2 und die Rippenplatten 3 enthält, die im Rippenblock
2 im wesentlichen horizontal in den geraden Teilen des Rohres 1 entsprechenden Lagen angeordnet sind, um
den Rippenblock 2 am Rohr 1 festzulegen, wobei der Rippenblock 2 und die Rippenplatten 3 einstückig mit dem
Rohr 1 verbunden werden.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Wärmeaustauscher
werden die Rinpenplatten 3 vertikal in zur Länge des Warmeubertragungsrohrs 1 senkrechten Säulen angeordnet.
Bei der Herstellung dieser Art des Wärmeaustauschers werden die in Ficr. 11 bzw. 12 dargestellten Rippenformen
»/-und 10 ,
V jeweils längs in eine Mehrzahljvon Formteilen unterteilt,
die mit dem Wärmeübertragungsrohr 1 derart zusammengesetzt werden, daß die Abstandszwischenräume
in der Rippenblockform zur Länge des Wärmeübertragungsrohres 1 senkrecht ausgebildet werden, wie Fig. 18
zeigt. Danach folgen gleiche Verfahrensschritte wie die, die im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauscher
beschrieben wurden.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Wärmeaustauscher sind die Rippenplatten 3 sowohl parallel zum Wärmeübertragungsrohr
1 als auch senkrecht zur Länge des Rohres angeordnet. Bei der Herstellung dieser Art des
Wärmeaustauschers werden die in Fig. 11 bzw. 12 gezeigten Rippenformen 9 und 10 jeweils längs in eine Mehrzahl
von Formteilen unterteilt, die mit dem Wärmeübertragungsrohr 1 in der Weise zusammengesetzt werden,
daß die Abstandszwischenräume 12 in der Rippenblockform sowohl parallel zum Wärmeübertragungsrohr 1 als auch
senkrecht zur Länge des Rohres 1 geformt werden, wie Fig. 19 zeigt. Danach folgen gleiche Verfahrensschritte
wie die im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 dargestellten
Wärmeaustauscher beschriebenen.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Wärmeaustauscher sind die Rippenplatten 3 unterbrochen in vertikal unterbrochenen
Säulen senkrecht zur Länge des Wärmeübertragungs-
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rohres 1 angeordnet und die Rippenplatten 3 in den benachbarten Säulen sind gestaffelt vorgesehen. Bei dem
in Fig. 6 dargestellten Wärmeaustauscher sind die Rippenplatten 3 sowohl parallel zum Wärmeübertragungsrohr
1 als auch senkrecht zur Länge des Rohres 1 angeordnet. Die Rippenplatten 3 sind unterbrochen in
vertikalen unterbrochenen Säulen in der Weise angeordnet, daß die Rippenplatten 3 in den benachbarten Säulen gestaffelt
vorgesehen sind. Die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Wärmeaustauscher werden in der Weise hergestellt,
daß die Abstandszwischenräume 12 in der Rippenblockform in Lagen gebildet werden, wo die
Rippenplatten 3 die in Fig. 20 bzw. 21 dargestellten Lagen erhalten, indem man nach einem dem im Zusammenhang
mit dem in Fig. 1 dargestellten Wärmeaustauscher beschriebenen ähnlichen Verfahrensschritt vorgeht-.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung
von Wärmeaustauschern macht die in die Abstandszwischenräume
12 zwischen den Rippenformen 9 und 10 und den äußeren und inneren Rippenformen 20 und 21 selbst und
zwischen diesen Formen 9, 10, 20 und 21 und dem Rohr 1 gefüllte Metallschmelze eine Schrumpfung durch, wenn
sie sich abkühlt und so erstarrt. Zu dieser Zeit formt sich die Metallschmelze rings um das Wärmeübertragungsrohr
zu einer Rohrförm und übt einen hohen Kontaktdruck"·«- auf
das Rohr 1 aus, wenn eine weitere Schrumpfung derselben
909884/0662
stattfindet, wodurch sich eine gute Bindung zwischen dem Rohr 1 und dem Rippenblock 2 aus porösere Metall mit
Rippen 4 von Faserlinienform oder unregelmäßiger Faserlinienform
ergibt, die in einen Skelettaufbau angeordnet sind, worin zusammenhängende, dreidimensionale
Poren 5 gebildet sind. Als Ergebnis werden der Rippenblock 2 und die Rippenplatten 3 einstückig mit dem
Wärmeübertragungsrohr 1 der Schlangenform verbunden und
ergeben einen Wärmeaustausc^her besonderen Aufbaus, in
dem der Rippenblock 2 und die Rippenplatten 3 mit dem Wärmeübertragungsrohr 1 mit hoher Bindefestigkeit
zusammenhängen. Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wärmeaustauschern strömt die in
Wärmeaustausch mit dem durch das Wärmeübertragungsrohr 1 fließenden Fluid tretende Luft schnell ohne wesentlichen
Strömungswiderstand durch die Vielzahl von durch die Rinpen des Skelettaufbaus definierten zusammenhängenden Poren
Da die Luft in dieser Weise strömt, findet der Wärmeaustausch mit hohem Wirkungsgrad zwischen der Luft und
dem durch das Wärmeübertragungsrohr 1 fließenden Fluid durch die Rippen 4 des Rippenblocks 2 und die am
Wärmeübertragungsrohr 1 und den Rippen 4 befestigten Rippenplatten 3 statt.
Die Rippen 4 der nach dem erfindunasgemäßen Verfahren
hergestellten Wärmeaustauscher sind von netzartiger, dreidimensionaler Anordnung, die die zusammenhängenden,
dreidimensionalen Poren 5 definiert. Dieses Merkmal bietet die Vorteile, daß die Wärmeübergangsfläche
909884/ÖS82
292593?
im Vergleich mit den plattenartigen kippen des Standes
der Technik gesteigert- ist und daß das durch die
zusammenhängenden, durch die Rippen 4 gebildeten
Poren strömende Fluid dauernd durchgerührt wird, da
sein Weg aufgrund der netzartigen Anordnung der
Rippen 4 gewunden ist, wodurch die Entwicklung einer
Wärmegrenzschicht verhindert wird. So haben die
Wärmeaustauscher ein hohes Wärmeübergangsverhalten und ermöglichen das Stattfinden eines Wärmeaustausches mit hohem Wirkungsgrad.
zusammenhängenden, durch die Rippen 4 gebildeten
Poren strömende Fluid dauernd durchgerührt wird, da
sein Weg aufgrund der netzartigen Anordnung der
Rippen 4 gewunden ist, wodurch die Entwicklung einer
Wärmegrenzschicht verhindert wird. So haben die
Wärmeaustauscher ein hohes Wärmeübergangsverhalten und ermöglichen das Stattfinden eines Wärmeaustausches mit hohem Wirkungsgrad.
Bei den üblichen Wärmeaustauschern kann die Wärmeübergangsrate
bezüglich Luft durch die folgende Formel ausgedrückt werden?
h oC- d n (allgemein η >
O) ,
worin h die Wärmeübergangsrate und d den Durchschnitfcsdurchmesser
bedeuten. Diese gut bekannte Formel zeigt, daß die Wärmeübergangsrate umso höher ist, je geringer
der Wert von d ist.
Bei den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Wärmeaustauschern können die Rippen eine Form
sehr dünner Fasern haben,wodurch das Wärmeübergangsverhalten
der Wärmeaustauscher weiter verbessert wird.
909884/0662
Allgemein ist es, wenn ein Wärmeaustauscher mit sehr feinen Rippen versehen wird, um die Wärmeübergangsrate
bezüglich Luft zu verbessern* nötig, daß eine große Wärmemenge von den vom Wärmeübertragungsrohr
entfernten Rippen zum Wärmeübertragungsrohr und vom Wärmeübertragungsrohr zu den vom Wärmeübertragungsrohr
entfernten Rippen durch die dünnen Rippen übertragen wird. Jedoch machen die dünnen faserartigen Rippen
die Übertragung einer großen Wärmemenge dadurch unmöglich, um diesen Nachteil zn beseitigen, sieht die
Erfindung die Rippenplatten 3 vor, die innerhalb des Rippenblocks 2 angeordnet sind, um den Wärmeübergang
zwischen dem Wärmeübertragungsrohr 1 und den vom Wärmeübertragungsrohr 1 entfernten Rippen 4 mit erhöhtem
Wirkungsgrad zu ermöglichen.
Bei den in Tig. 5 und 6 dargestellten Wärmeaustauschern sind die Rippenplatten 3 in vertikalen unterbrochenen
Säulen derart angeordnet, daß die Rippenplatten in benachbarten Säulen zueinander gestaffelt sind. Diese
Anordnung der Rippenplatten 3 macht es möglich, die zu den Rippen 4 von verschiedenen Teilen des Wärmeübertragungsrohrs
1 übertragenen Wärmemengen auszugleichen, um ein gleichmäßigen Wärmeübergang für die
gesamte Länge des Rohres 1 durch Vermeiden von unregelmäßigkeiten im Wärmeübergang in verschiedenen Teilen des
Rohres 1 zu erreichen und dadurch das Wärmeübergangsverhalten der Wärmeaustauscher zu verbessern.
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Aus der vorstehenden Beschreibung zeigt sich, daß die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Wärmeaustauscher Vorteile liefern, die die bekannten Wärmeaustauscher des Kreuzrippentyps nichts zu bieten
vermögen. Insbesondere haben die ersteren Wärmeaustauscher eine größere Wärmeübergangsfläche je Volumeneinheit
und eine höhere Wärmeübergangskapazität als die letzteren. So ermöglicht die Erfindung die Erzielung
einer kompakten Gesamtabmessung bei einem Wärmeaustauscher. Auch läßt sich, da das poröse Metall
von geringem Gewicht ist, das Gesamtgewicht des Wärmeaustauschers verringern. Beim Herstellungsverfahren
wird ein Wärmeübertragungsrohr zu einer Schlangen- oder einer anderen geeigneten Form vorab geformt, und
Rippenformen werden verwendet, um einen Rippenblock durch Gießen herzustellen, der das Wärmeübertragungsrohr
umgibt. Dies beseitigt die Notwendigkeit der Durchführung der Verfahrensschritte des Einfügens von ü-förmigen
Rohren und des Ausdehnens der Rohre. Der Zusammenbau der Rippenformen mit dem Wärmeübertragungsrohr läßt sich
leicht durchführen, und das Herstellverfahren ist erheblich vereinfacht. Weiter steigert, die Schrumpfung
der Metallschmelze, die sich bei.der Abkühlung und Erstarrung
der Metallschmelze ergibt, erheblich die Bindefestigkeit, mit der der Rippenblock mit dem
Wärmeübertragungsrohr verbunden ist, so daß der Wärmeübergang
zwischen den Rippen des Rippenblocks und dem Wärmeübertragungsrohr erleichtert ist.
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. 2-
Claims (5)
1. Verfahren zum Herstellen eines Wärmeaustauschers mit
einem Wärmeübertragungsrohr und Rippen, gekennzeichnet
durch folgende Verfahrensschritte:
1) Gießen eines formbildenden Materials (8) im flüssigen Zustand in aisammenhängende, dreidimensionale
Hohlräume (6a) in Kunststoffmodellen (6) zur Herstellung von modellenthaltenden Formen;
2) Entfernung der Kunststoffmodeile (6) aus den modellenthaltenden Formen durch Erhitzen od. dgl. zum
Erhalten von Rippenformen (9, 10);
3) Zusammensetzen einer Mehrzahl dieser Rippenformen
(9, 10) mit einem Wärmeübertragungsrohr (1), das vorher in eine Schlangen- oder andere geeignete
Gestalt derart geformt wurde, daß die Rippenformen (9, 10) das Wärmeübertragungsrohr (1) mit geeigneten zwischen
den Rippenformen selbst und zwischen diesen und dem Wärmeübertragungsrohr (1) definierten Abstandszwischenräumen
(12) umgeben, um dadurch eine Rippenblockform mit darin ausgebildeten zusammenhängenden, dreidimensionalen
Hohlräumen herzustellen;
4) Gießen von Metallschmelze (14) unter Druck in die
zusammenhängenden, dreidimensionalen Hohlräume in der Rippenblockform und in die Abstandszwischenräume (12)
und Erstarrenlassen der Metallschmelze; und
81-(A 3897-03)-TF
5) Entfernunq des Materials (8) der Rippenblockform
und dadurch Fertigstellung des Wärmeaustauschers, in dem ein poröser Metallblock (2) mit darin ausgebildeten
zusammenhängenden, dreidimensionalen Poren (5) und mit dem porösen Metallblock (2) verbundene Rippenplatten (3)
einstückig an dem Wärmeübertragunasrohr (1) befestigt sind.
2. Verfahren zum Herstellen eines Wärmeaustauschers mit einem Wärmeübertragungsrohr und Rippen, gekennzeichnet
durch folgende Verfahrensschritte:
1) Gießen eines formbildenden Materials (8) im flüssigen Zustand rin zusammenhängende, dreidimensionale Hohlräame
(6a) in Kunststoffmodellen (6) zur Herstellung von iüodellenthaltenden Formen;
2) Zusammensetzen einer Mehrzahl dieser modellenthaltenden Formen mit einem Wärmeübertragungsrohr (1), das vorher
in eine Schlangen-oder andere geeignete Gestalt derart geformt wurde, daß die modellenthaltenden Formen das
Wärmeübertragungsrohr (1) mit geeigneten zwischen den modellenthaltenden Formen selbst und zwischen diesen
und dem Wärmeübertragungsrohr (1) definierten Abstandszwischenräumen (12) umgeben;
3) Entfernung der Kunststoffmodelle (6) aus den modellenthaltenden Formen durch Erhitzen od. dgl. zum
Erhalten einer Rippenblockform mit darin ausgebildeten zusammenhängenden, dreidimensionalen Hohlräumen;
4) Gießen von Metallschmelze (14) unter Druck in die
zusammenhängenden, dreidimensionalen Höh1räum e in der
Rippenblockform und in die Abstandszwischenräume (12) und
Erstarrenlassen der Metallschmelze; und
909884/0682
~ 3 —
5) Entfernung des Materials(8) der Rippenblockform und dadurch Fertigstellung des Wärmeaustauschers, in
dem ein poröser Metallblock (2) mit darin ausgebildeten zusammenhängenden, dreidimensionalen Poren (5) und mit
dem porösen Metallblock (2) verbundene Rippenplatten (3) einstückig an dem Wärmeübertragungsrohr (1) befestigt
sind.
909884/0862
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