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Wärmetauscher
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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Wärmepumpen,
mit mindestens einem als Leitung für ein wçärmeab- oder -aufnehmendes Strömungsmittel
dienenden Rohr.
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Bei Wärmetauschern stellt sich die Aufgabe, bei vertretbarem Bauaufwand
eine möglichst große Wärmetauscherleistung zu erreichen. Die Wärmetauscherleistung
ist unter anderem von einer möglichst guten Wärmeleitfähigkeit der Wärmetauscherflächen,
von einer möglichst großen Wärmetauscherfläche und von möglichst geringen Trennwanddicken
zwischen den Medien unterschiedlicher Temperatur, zwischen welchen ein Wärmeübergang
stattfindet soll, abhängig.
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Durch das Bestreben, alternative Energiequellen zu erschließen, hat
in jüngster Zeit die Wärmepumpe eine besondere Bedeutung erlangt. Der Wirkungsgrad
der Wärmepumpe hängt entscheidend von der Qualität des Wärmetauschers und dessen
Leistungsfähigkeit ab. Andererseits kann der Einsatz solcher alternativer Energiequellen
nur gefördert werden, wenn die hohe Leistungsfähigkeit mit verhältnismäßig erträglichen
Kosten erreicht werden kann.
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Bei Wärmetauschern hoher Leistung ist eine verhältnismäßig hohe Strömungsgeschwindigkeit
der den Wärmetauscher durchströmenden Medien erforderlich, was einen verhältnismäßig
kleinen Strömungsquerschnitt verlangt. Ein kleiner Strömungsquerschnitt führt aber
zunächst zu einer entsprechend kleinen Wärmeübergangsfläche, was wiederum leistungsmindernd
wirkt, weshalb zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um trotz des kleinen
Strömungsquerschnitts eine große Wärmeübergangsfläche zu erhalten. Man verwendet
zu diesem Zweck Rohre mit eingebauten, insbesondere lamellenarL~gen Zusatzflächen,
welche einerseits geeignet sind, den Strömungsquerschnitt zu verengen, während sie
andererseits die wirksame Wärmeübergangsfläche erhöhen.
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Die Herstellung solcher Rohre mit eingebauten Lamellen oder dgl. ist
relativ teuer, so daß bereits aus Kostengründen eine andere Lösung der an sich gegensätzlichen
Forderung nach geringem Strömungsquerschnitt bei großer Wärmeübergangsfläche gesucht
werden sollte.
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Insbesondere bei Wärmetauschern für Wärmepumpen gibt es noch weitere
Gründe für eine derartige Forderung. Das wärmeabgebende Medium ist dabei meist ein
gasförmiger, halogenierter Kohlenwasserstoff, welcher unter der Bezeichnung Frigen(ges.
gesch. Warenzeichen) im Handel ist.
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Während man bisher aus Gründen der guten Wärmeleitfähigkeit meist
Kupferrohre verwendet hat, wird insbesondere dort, wo Trinkwasser erwärmt werden
soll, die Verwendung von Edelstahlrohren bevorzugt, wenn diese mit dem Gas in
Berührung
gelangen. Um einen möglichst guten Wärmeübergang zu erhalten, soll die Wandstärke
der Wärmetauscherrohre gering gehalten werden. Andererseits werden die Wärmetauscherrohre
meist in Schraubenform oder in ähnlicher Weise gekrümmt angeordnet, um Wärmetauscher
zu erhalten, welche bei hoher Leistung ein geringes Bauvolumen aufweisen. Nun ist
es aber bekannt, daß Edelstahlrohre mit geringer Wandstärke, etwa unter 1,5 mm,
nur unter Anwendung eines bis an die Biegestelle herangeführten, in das Rohrinnere
eingreifenden Dorns gebogen werden können, was voraussetzt, daß das Rohr keine inneren
Einbauten, wie die erwähnten Lamellen zur Vergrößerung der wirksamen Oberfläche,
aufweist. Edel stahlrohre mit solchen Einbauten müssen, um gebogen werden zu können,
eine für Wärmetauscher ungeeignet große Wandstärke aufweisen.
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Der Erfindung liegt aus allen diesen Gründen die Aufgabe zugrunde.,
einen insbesondere auch für Wärmepumpen geeigneten Wärmetauscher zu schaffen, der
einerseits besonders kostengünstig herstellbar ist und der andererseits eine hohe
Leistung aufweist und dessen Leitungsrohre keine eingebauten Vorrichtungen zur Querschnittsverengung
bzw. Vergrößerung der Wärmetauscherfläche enthalten, so daß also dünnwandige, gekrümmte
Edelstahlrohre eingesetzt werden können.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß dieses Rohr ein gut wärmeleitendes
vom Rohrende einführbares, in eingeführtem Zustand Strömungswege freihaltendes Füllmaterial
enthält.
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Durch diese Lösung wird es möglich, das leere Rohr über einen in das
Rohrinnere eingreifenden Dorn an die Biegestelle heranzuführen und nach Wunsch zu
krümmen, worauf erst anschließend, wenn das Rohr seine gewünschte Konfiguration
erhalten hat, vom Rohrende aus das Füllmaterial eingefüllt wird, das eine körnige
Struktur, die Form von Kügelchen oder die Form von Spänen oder eine ähnliche Schüttgutform
aufweisen kann. Es ist aber auch möglich, als Füllmaterial eine flexible Spirale
insbesondere aus einem Nichteisenmetall in das Rohr einzuschieben, wobei zur zusätzlichen
Verengung des Strömungsquerschnitts die Spirale einen seilförmigen Kern umschließen
kann.
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Die vorgeschlagene Lösung ist nicht nur dort von Vorteil, wo dünnwandige
Rohre in einem gekrümmten Zustand verwendet werden sollen, sie bietet gleichermaßen
auch einen Vorteil bei geradlinig angeordneten Rohren, weil das Einfüllen eines
preiswerten Füllmaterials gegenüber dem arbeitsintensiven Einbau von Lamellen oder
dgl. eine sehr beachtliche Kostensenkung zur Folge hat.
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Bei Wärmetauschern werden vom Kompressor ausgehende Schwingungen auf
die Wärmetauscherrohre übertragen. Bei koaxial angeordneten Wärmetauscherrohren
führt dies dazu, daß die Rohre aneinanderschlagen, was eine starke Lärmentwicklung
zur Folge hat. Die erfindungsgemäße Lösung schafft auch hier Abhilfe, weil durch
das Füllmaterial das Aneinanderschlagen der Rohre verhindert wird.
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Noch ein weiterer Vorteil der brfindungsgemäßen Lösung besteht darin,
daß die Rohre je nach der Aufgabenstellung mit unterschiedlichem Füllmaterial versehen
werden können, so kann beispielsweise durch Einfüllen eines feinkörnigen Materials
eine sehr gro Oe große Wärmetauscheroberfläche mit verhältnismäßig geringen Strömungsquerschnitten
erzielt werden, während durch das Einfüllen grobkörnigeren Materials die Wärmetauscherfläche
verringert und der Strömungsquerschnitt erhöht werden kann. Diese Maßnahmen sind
jeweils erst vor dem Einsatz des Wärmetauscherrohrs möglich, erleichtern also die
Lagerhaltung. Außerdem ist es möglich, das Füllmaterial eines Wärmetauschers nachträglich
auszuwechseln.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Anhand der nun folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels der Erfindung wird diese näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher,
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Wärmetauscherrohr mit feinkörniger Füllung, Fig.
3 einen Querschnitt durch ein Wärmetauscherrohr mit grobkörniger Füllung und Fig.
4 einen Querschnitt durch ein Wärmetauscherrohr mit einer eingesetzten Spirale als
Füllmaterial.
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Der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher besteht aus einem Rohr 10,
welches einen schraubenförmig gewundenen Abschnitt 12 aufweist, der in parallel
zueinander angeordneten Anschlußstutzen 14 und 16 endet. Das Rohr 10 wird von einem
Mantel 18 eingehüllt, durch welchen die Anschlußstutzen 14 und 16 nach außen ragen.
Der Mantel 18 selbst ist mit Anschlußstutzen 20 und 22 versehen, so daß ein Strömungsmittel
durch den vom Mantel 18 eingehüllten Innenraum des Wärmetauschers strömen kann und
dabei das Rohr 10 umspült, welches seinerseits von einem zweiten Strömungsmittel
mit unterschiedlicher Temperatur durchquert wird.
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Das Rohr 10 besteht vorzugsweise aus einem dünnwandigen Edelstahlrohr
mit einer von den Abmessungen des Wärmetauschers und dem jeweiligen Verhältnissen
abhängigen Wandstärke in der Größenordnung zwischen 0,5 und 1,5 mm.
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Dieses Edelstahlrohr 10 wird über einen Dorn geschoben und auf einer
Wickelschnecke schraubenförmig gekrümmt.
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Nachdem das Rohr 10 die aus Fig. 1 ersichtliche Konfiguration erhalten
hat und gegebenenfalls nach dem Einbau in den Mantel 18 wird das Rohr 10 mit einem
Füllmaterial angefüllt, welches beispielsweise mit Druckluftunterstützung in das
Rohr eingeblasen und dort verdichtet werden kann. Dieses Füllmaterial kann sehr
unterschiedlicher Natur sein, muß jedoch einige Voraussetzungen erfüllen, um seinem
Zweck gerecht zu werden. So muß das Füllmaterial in das gekrümmte Rohr derart eingeführt
werden können, daß es das Rohr auf seine ganze Länge durchzieht. Das Füllmaterial
muß außerdem ein guter
Wärmeleiter sein und darf schließlich den
Querschnitt des Rohrs 10 nicht soweit zusetzen, daß ein Strömungsmitteldurchtritt
unterbunden wird.
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Diese Voraussetzungen erfüllen beispielsweise schüttgutartige Teilchen,
vorzugsweise aus Nichteisenmetallen, wie z.B. Aluminium, oder aber auch aus Sintermaterial,
welche kugelförmig, von körniger Struktur oder in Form von Spänen ausgebildet sein
können. Je nach der Korn-, Span- oder Kugelgröße wird ein mehr oder minder großer
Durchströmquerschnitt auch dann verbleiben, wenn das Rohr 10 vollständig mit dem
Füllmaterial angefüllt ist.
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Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Rohr 10, welches mit
Kügelchen 24 angefüllt ist, zwischen welchen verhältnismäßig kleine Querschnitte
als Strömungsweg 26 freibleiben. Bei dieser Art von Füllmaterial wird eine große
Wärmeübertragungsfläche bei verhältnismäßig kleinem Strömungsquerschnitt erhalten.
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In Fig. 3 ist das Rohr 10 mit einem körnigen Material 28 angefüllt,
dessen Korngröße wesentlich größer ist als der Querschnitt der Kügelchen 24. Zwischen
den Körnern 28 bleiben Strömungswegen 30 frei, deren Gesamtquerschnitt größer ist
als bei der Ausführungsform nach Fig. 2, während die wärmeübertragende Oberfläche
in der Regel geringer sein wird als bei der Ausführungsform nach Fig.2, es sei denn,
man verwendet Körner mit einer sehr unregelmäßig gestalteten und gegenüber dem eingeschlossenen
Volumen verhältnismäßig großen Oberfläche. 1l
Die Fig. 4 zeigt
eine andere Lösungsmöglichkeit. Dabei ist in das Rohr 10 eine Spirale 32 aus einem
elastischen Material eingeschoben, wobei die Spirale einen Nylonkern 34 umschließt,
der als Füllkörper den Durchströmquerschnitt verengt. Bei dieser Ausführungsform
erstreckt sich der Strömungsweg 36 im wesentlichen den Spiralwindungen entlang.
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Es ist ersichtlich, daß durch die erfindungsgemäße Ausbildung sehr
viele unterschiedliche, den jeweiligen Anwendungszwecken entsprechende Abwandlungen
möglich sind, wobei der Aufwand verhältnismäßig gering ist und dünnwandige Edel
stahlrohre verwendet werden können, ohne hinsichtlich der Wärmeübergangsflächen
und der Strömungsquerschnitte Kompromisse eingehen zu müssen.
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