DE3238943A1

DE3238943A1 - Waermetauscher, insbesondere fuer sonnenkollektoren

Info

Publication number: DE3238943A1
Application number: DE19823238943
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr.-Ing. 3012 Langenhagen Ziemek
Original assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1982-10-21
Filing date: 1982-10-21
Publication date: 1984-04-26
Also published as: US4558736A; CA1217102A

Description

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kabelmetal electro

Gesellschaft mit beschränkter Haftung

E 1-1888

19. Okt. 1982

Wärmetauscher, insbesondere für Sonnenkollektoren

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für Sonnenkollektoren, bestehend aus einem Metallblech, an welches in kontinuierlicher Weise ein Metallrohr in der Mitte zwischen den Längskanten angeschweißt ist, bei dem die Breite des Metallblechs größer ist als die Querschnittsabmessung des Rohres und das Metallblech im Bereich zwischen seinen Längskanten und der Berührungslinie mit dem Rohr im Sinne einer Oberflächenvergrößerung plastisch verformt ist und zwischen den Verformungen ein unverformter Bereich sich in Längsrichtung des Rohres erstreckt.

Solarkollektoren als alternative Energiequelle für sonnenreiche Gebiete erhalten immer größere Bedeutung, zumal sie in vielen Ländern steuerlich subventioniert werden. Es sind unterschiedliehe Solarkollektoren bekannt, deren Wirkungsweise auf dem Treibhauseffekt beruht.

Kernstück aller Solarkollektoren dieser Art ist der Wärmetauscher, der die eingefangene Wärme auf ein Wärmeträgerfluid überträgt.

Als Wärmetauscher sind bereits solche vorgeschlagen worden, die aus einem Metallrohr bestehen, an welches tangential ein Metallblech angeschweißt ist. Das Metallblech wirkt hierbei als Oberflächenvergrößerung und gibt die eingefangene Wärmeenergie an das Rohr und damit an das in dem Rohr fließende Wärmeträgerfluid ab. Die Optimierung eines Sonnenkollektors hat die Aufgaben:

1. Optimierung nach wärmetechnischen Gesichtspunkten.

2. Optimierung nach mechanischen Gesichtspunkten.

3. Optimierung nach Kosten.

Da die Kosten der ausschlaggebende Faktor sind, muß versucht werden, mit möglichst dünnen Blechen auszukommen. Sie müssen aber auch nach allen Richtungen stabil sein, die Wärme möglichst gut absorbieren und in das Rohr einleiten. Wenn man dabei in den Bereich von Blechdicken von 0,2 5 mm und darunter insbesondere in dem Bereich von 0,15 bis 0,18 mm Wanddicke des Metallbleches kommen will, werden die Bleche mechanisch nicht mehr handhabbar. Sie sind zu empfindlich, um die anschließenden Montagearbeiten ohne Beschädigung zu überstehen.

Aus der US-PS 4 326 583 ist ein Wärmetauscher für den genannten Zweck bekannt geworden, der aus einem Metallrohr mit einem angeschweißten Metallblech besteht. Um zu vermeiden, daß sich durch das Verschweißen des Metallbleches mit dem Metallrohr nach dem Abkühl'en der Schweißnaht Verwerfungen bilden, ist bei dem bekannten Wärmetauscher vorgesehen, die durch den Schweißvorgang nicht erhitzten Bereiche des Metallbleches beiderseits der Schweißnaht mit im wesentlichen quer zur Längsrichtung des Rohres verlaufenden Wellungen zu versehen. Diese Wellungen sind sehr wohl geeignet, das Entstehen der Verwerfungen im Bereich der Schweißnaht zu verhindern und die Steifigkeit des Metallbleches zu erhöhen. Sie sind jedoch hinsichtlich des Wärmeübergangs noch nicht vollauü befriedigend.

Der vorliegenden Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Wärmetauscher dahingehend zu verbessern, daß bei gleicher Steifigkeit des Metallbleches und ohne daß befürchtet werden muß, daß es zu Verwerfungen im Bereich der Schweißnaht kommt, die Wärmeaufnahme wesentlich erhöht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die plastischen Verformungen kalottenartig ausgebildet sind. Durch die kalottenartigen Verformungen ist sichergestellt, daß auf einen großen Anteil der Fläche des Metallbleches die Strahlung auch bei wechselndem Sonnenstand stets senkrecht auftrifft, was bekanntlich den Anteil der absorbierten Strahlung nach dem Gesetz E = E._ χ cos ψ erhöht.

Mit besonderem Vorteil sind die kalottenartigen Verformungen von beiden Seiten in die Oberfläche eingeformt. Diese Ausgestaltung der Erfindung wirkt sich einerseits vorteilhaft für die Steifigkeit, andererseits auch für eine Erhöhung der Wärmeaufnahme aus.

Zweckmäßigerweise sind die Kalotten kugelsegmentartig geformt. Bei einer optimierten Ausgestaltung der Kalotten beträgt die Tiefe der Kalotten aus der unverformten Blechebene gemessen zwischen 0,1 und 0,7 mm. Der Krümmungsradius der Kugelkalotten sollte zwischen 0,3 und 4 mm betragen.

Zu einer besonders gleichmäßigen Verformung der Metallbechoberflache gelangt man, wenn die Kalotten in einer solchen Anzahl 5 und Verteilung eingeformt sind, daß in einer durch die Punkte größter Tiefe der Kalotten in Längsrichtung des Rohres verlaufenden Schnittebene sich ein wellenförmiger bzw. sinusförmiger Verlauf der Blechwandung ergibt.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellungeines Wärmetauschers nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, bei dem ein kontinuierlich zugeführtes Metallblech einem ebenfalls kontinuierlich zugeführten Metallrohr angenähert wird, daß das Rohr mittig zwischen den Längskanten des Metallbandes

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gelegen ist und das Metallblech mittels Durchschweißen mit WIG-Schweißung an dem Metallrohr metallisch angebracht wird und anschließend die beiderseits des Rohres gelegenen Blechbereiche zwischen einem unverformt bleibenden Bereich in der Nähe des Rohres und der Längskanten des Bandes plastisch verformt werden. Bei diesem Verfahren wird der Wärmetauscher durch ein Riffelwalzenpaar hindurchgeführt, welches in die genannten Blechbereiche die kalottenartigen plastischen Verformungen einbringt.

Die Erfindung ist an Hand der in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

An ein Kupferrohr 1 vorzugsweise ein nahtlos gezogenes Kupferrohr mit z. B. einem Außendurchmesser von 12,7 mm und einer Wanddicke von 0,5 mm ist ein Leitblech 2 tangential angeschweißt. Das Leitblech, welches zweckmäßigerweise ebenfalls aus Kupfer besteht, hat eine Breite von 114 mm und eine Wanddicke von 0,2 mm. Das Leitblech 2 weist eine Vielzahl gleichmäßig verteilter kugelsegmentartiger Kalotten 3 auf, die in beiden Richtungen aus der Ebene des Metallbleches 2 herausragen. In der Mitte, dort wo das Rohr 1 angeschweißt ist, verbleibt ein unverformter Bereich 4, dessen Breite in etwa dem Außendurchmesser des Rohres 1 entspricht. Die Tiefe der zweckmäßigerweise kugelsegmentartigen Kalotten 3 beträgt zweckmäßigerweise 0,3 mm, wobei der Krümmungsradius der Kugelkalotten in etwa 3,5 mm beträgt. Die genannten Maße bilden eine Optimierung hinsichtlich der^Wärmeaufnahme und der Versteifung des relativ dünnwandigen Metallblechs 2. Durch die Versteifung wird eine Handhabung beim nachträglichen Einbau in die Sonnenkollektoren ohne Beschädigung des Metallbleches 2 möglich. Die Kugelkalotten 3 sind in einer solchen Anzahl und Verteilung angeordnet, daß sich in einer Schnittebene des Metallbleches 2 z.B. an der Längskante 5 oder an der Querkante 6 ein wellenförmiger bzw. sinusförmiger Verlauf des Metallbleches 2 ergibt.

Durch die Kalottierung des Metallbleches 2 wird erreicht, daß auch bei schräg einfallender Strahlung Blechbereiche vorhanden

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sind, bei denen die Wärmestrahlung unter einem Winkel von exakt 90 auftrifft. Da die absorbierte Strahlungsenergie abhängig vom Kosinus des Einfallwinkels ist, ist im Falle eines senkrechten Auftreffens die absorbierte Energiemenge gleich der auftreffenden Energiemenge. Hinzu kommt noch, daß durch die Kugelkalottierung bei schrägem Einfall die einfallende Energie reflektiert und somi-t u. U. mehrfach auf die Metalloberfläche auftrifft. Das Ergebnis dieser Kalottierung ist, daß die Energieaufnahme gegenüber einem ebenen Blech, schrägeinfallende Strahlung vorausgesetzt, wesentlich höher ist. Sie ist auch höher als die von dem Wärmetauscher nach der US-PS 4 326 583. Jedoch gilt dies nur, wenn die Strahlung schräg und unter einem Winkel kleiner oder größer 90 zur Richtung der Wellung einfällt.

In der Fig. 2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines in der Fig. 1 dargestellten Wärmetauscherelements schematisch dargestellt. Das Kupferrohr 1 wird kontinuierlich zugeführt und ihm ein von einer Vorratsspule 7 ablaufendes Metallband 2 angenähert und mittels einer WIG-Schweißeinrichtung 8 mittels DurchSchweißens durch das Metallblech 2 angeschweißt. Hinter der Schweißstelle 8 durchläuft das Wärmetauscherelement ein Riffelwalzenpaar 9, welches die Kalotten 3 in das Metallblech einbringt, wobei der Bereich 4 von Kalotten 3 frei bleibt. Die unten liegende Walze 9 weist zur Aufnahme des Kupferrohres 1 eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut auf. Hinter den Riffel-5 walzen 9 können die Wärmetauscherelemente in der gewünschten Länge abgelängt werden.

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Claims

kabelmetal electro

Gesellschaft mit beschränkter Haftung

E 1-1888

19. Okt. 1982

Patentansprüche

Wärmetauscher, insbesondere Sonnenkollektor, bestehend aus einem Metallblech, an welches in kontinuierlicher Weise ein Metallrohr in der Mitte zwischen den Längskanten angeschweißt ist, bei dem die Breite des Metallblechs größer ist als die Querschnittsabmessung des Rohres und das Metallblech im Bereich zwischen seinen Längskanten und der Berührungslinie mit dem Rohr im Sinne einer Oberflächenvergrößerung plastisch νerformt ist und zwischen den Verformungen ein unverformter Bereich sich in Längsrichtung des Rohres erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die plastischen Verformungen (3) kalottenartig ausgebildet sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kalottenartigen Verformungen (3) von beiden Seiten in die Oberfläche eingeformt sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalotten (3) kugelsegmentartig geformt sind.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Kalotten (3) aus der unverformten Blechebene (2)'gemessen zwischen 0,1 und 0,7 mm beträgt.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der Kugelkalotten (3) zwischen 0,3 und 4 mm beträgt.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalotten (3) in einer solchen Anzahl und Verteilung eingeformt sind, daß in einer durch die Punkte größter Tiefe der Kalotten in Längsrichtung des Rohres (1) verlaufenden Schnittebene sich ein wellenförmiger bzw. sinusförmiger Verlauf der Blechwandung (2) ergibt.
7. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach An-

spruch 1 oder einem der folgenden, bei dem ein kontinuierlich zugeführtes Metallblech einem ebenfalls kontinuierlich zugeführten Metallrohr angenähert wird, daß das Rohr

ι mittig zwischen den Längskanten des Metallbandes gelegen ist und das Metallblech mittels Durchschweißen mit/Schweißung 0 an dem Metallrohr metallisch angebracht wird und schließlich die beiderseits des Rohres gelegenen Blechbereiche zwischen einem unverformt bleibenden Bereich in der Nähe des Rohres und der Längskanten des Bandes plastisch verformt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher durch ein 5 Riffelwalzenpaar hindurchgeführt wird, welches in die genannten Blechbereiche die kalottenartigen plastischen Verformungen anbringt.

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