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Verfahren zur Herstellung von Rippenrohren Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zur Herstellung von Rippenrohren.
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Man weiß, daß der Wirkungsgrad von Wärmeaustauschern, die mit Rippenrohren
versehen sind, in hohem Maße von der Innigkeit der Berührung zwischen den Rohren
und den auf die Rohre aufgereihten Rippen abhängt.
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Bisher litten die Rippenrohre für Wärmeaustauscher unter dem hauptsächlichen
Mangel, daß sie einen befriedigenden Wirkungsgrad im Alter nicht mehr beibehielten.
Nach einer bestimmten Gebrauchszeit verlieren die meisten -dieser Rohre ihre thermische
Wirksamkeit, da die ständig aufeinanderfolgenden Zusammenziehungen und Dehnungen
infolge von Temperaturschwankungen schließlich die Berührung zwischen den Rohren
und den Rippen lösten.
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Um die Rippen fest auf die Rohre aufzusetzen, hat man insbesondere
schon vorgeschlagen, die Rohre dadurch zu dehnen, daß man einen Dorn mit größerem
Durchmesser durch die Rohre hindurchzog; diese Verfahrensweise führte dazu, daß
die aus einem etwas elastischeren Metall als die Rohre bestehenden Rippen gleichfalls
gedehnt wurden und nach dem Hindurchgang des Dornes die Rippen auf die Rohre festgeklemmt
wurden; dabei wurden die Rohre an den Stellen der Rippen eingeschnürt, so daß sich
eine aufeinanderfolgende Reihe von Erweiterungen und Einschnürungen an den Rohren
bildete. Indessen unterlagen die Rippen bei diesen bekannten Verfahren einer dauernden
Dehnung, die durch das Ausweiten ihrer Ränder am Umfang der Rohre zum Ausdruck kamen,
so daß das Metall der Rippen infolge Überschreitung der Elastizitätsgrenze in der
Nähe der Rohre geschwächt wurde und infolgedessen den ständig wiederkehrenden Veränderungen
des Durchmessers infolge von Temperaturschwankungen (Erwärmungen und darauffolgende
Abkühlung) nicht auf lange Zeit gewachsen war.
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Man hat auch schon vorgeschlagen, die Rippen mit Ringen zu versehen,
welche die Rohre umschließen; man hat auch vorgeschlagen, 'die Ränder der Rippen
zu wellen. In beiden Fällen wollte man dadurch die Berührungsfläche vergrößern.
Diese Mittel sowie auch die Verwendung von Schweißnähten geben keine größere Sicherheit
in bezug auf eine vollkommene und dauerhafte Berührung.
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Die Erfindung bezweckt insbesondere, die Rippen nach Art von Federn
wirken zu lassen, welche die Rohre unter Druck umschließen und während der ganzen
Lebensdauer
der entsprechenden Vorrichtungen an allen Zusammenziehungen
und Dehnungen, denen die Rohre infolge von Temperaturschwankungen unterworfen sind,
teilnehmen. Ebenso wie eine Feder, z. B. eine Spiralfeder, ihre. Aufgabe nur erfüllen
kann, wenn ihre Dehnungen elastisch bleiben, und wie die Gefahr besteht, daß die
Feder bricht oder auf jeden Fall unter normalen Bedingungen nicht mehr arbeitet,
wenn sie über die Elastizitätsgrenze hinaus gedehnt worden ist und infolgedessen
eine dauernde Verformung beihalten hat, ebenso müssen die Rippen aus einem Metall
mit einer großen Elastizität, also mit einer hohen Elastizitätsgrenze gebildet sein,
die an keiner Stelle jemals überschritten werden darf.
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Nach der Erfindung wird dieses Ziel dadurch erreicht, daß für die
Rippen ein Werkstoff verwendet wird, der elastischer ist als der Werkstoff der Rohre,
und daß die Beanspruchung der Rippen beim Aufdornen so weit unterhalb der Elastizitätsgrenze
liegt, daß die Gesamtbeanspruchung der Rippen im Betriebe die Elastizitätsgrenze
ebenfalls nicht überschreitet. Auf diese Weise suchen nach dem Durchgang des Dornes
die großen durch diesen Vorgang in den Rippen hervorgerufenen elastischen Spannungen
die Rippen wieder auf ihren ursprünglichen Durchmesser zurückzubringen, wobei die
Rippen das Rohr unter stetigem Anpreßdruck einschnüren. Das Rohr wird also, wie
an sich bekannt ist, im entgegengesetzten Sinne verformt, d.Ii. sein Durchmesser
wird, nachdem er bei dem Hindurchgang des Dornes vergrößert worden war, in der Ebene
der Rippe so weit- wieder verringert, bis sich ein Gleichgewichtszustand zwischen
den neuen in dem Rohr durch diese neue Verformung entwickelten Spannungen und den
in der Rippe bestehenden Spannungen eingestellt hat. Wie weiter oben ausgeführt
wurde, könnte eine -wirksame Berührung offenbar nicht erzielt werden, wenn die Elastizitätsgrenze
der Rippen überschritten würde, und zwar wegen der Schwächung, die das Metall in
diesem Fall erleiden würde.
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Die nach der Erfindung erzielte elastische Anpressung kann in gewissem
Sinne mit derjenigen verglichen werden, die dem bekannten Bandagieren von Hochdruckrohren
mit Hilfe von Bandagenringen auftritt, welche nebeneinander auf die Rohre aufgereiht
und bereits lediglich einer elastischen Verformung ausgesetzt wurden. Während es
aber bei den Hochdruckrohren auf die Erzielung bestimmter Festigkeitswerte ankommt,
steht bei den Rippenrohren die Unempfindlichkeit gegen Temperaturveränderungen im
Vordergrunde. Rippenrohre, die ständigen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind,
müssen in der Lage sein, sich im Laufe der Benutzung der betreffenden Vorrichtungen
in dein einen oder anderen Sinne elastisch zii verformen und trotzdem stets die
gleiche wirksame Berührung der Rippen aufrechtzuerhalten. Bei dem bekannten Verfahren
zur Herstellung von Hochdruckrohren werden ferner die Rohre hydraulisch aufgeweitet,
während bei dem Verfahren nach der Erfindung das an sich bekannte Aufweiten mittels
Dornes angewendet wird. Hierbei läßt sich das Maß der Aufweitung sicherer bestimmen
als bei der Anwendung hydraulischen Druckes.
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Das Verfahren nach der Erfindung liat ferner den Vorteil, bei sehr
dünnen Rippen, die beispielsweise aus Aluminium bestehen. angewendet werden zu können.
Um diese Rippen zu versteifen, kann man sie wellen oder falten.
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Das im Sinne der Erfindung für die Rippen verwendete Metall kann schon
von Haus aus elastischer sein als das der Rohre: es kann aber auch erst durch eine
besondere Behandlung (Walzen, Hämmern, thermische Behandlung usw.) elastischer gemacht
werden. Man kann so mit Vorteil beispielsweise Aluininium, Kupfer oder dessen Legierungen
in gehärtetem Zustand verwenden.
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Auf der Zeichnung sind als Beispiele Rippenrofire dargestellt, die
im Sinne der Erfindung hergestellt sind: die Zeichnung veranschaulicht ferner das
Herstellungsverfahren.
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Fig. i zeigt schematisch ein Rippenrohr mit Ringwülsten.
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Fig. z veranschaulicht einen Abschnitt der Herstellung des Rohres.
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Fig.3 zeigt ein Rohr mit gefalteten Rippen.
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Fig.4 ist ein Schema, das die Spannungskurven als Funktion der Rippenverformungen
zeigt.
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In den Fig. i und :2 sind das Rohr mit a und die Rippen mit h bezeichnet.
Nachdem die aus einem sehr elastischen Metall bestehenden Rippen auf das Rohr aufgereiht
worden sind, wird dieses mit Hilfe eines Dornes c einem inneren Druck unterworfen.
Der Durchmesser des Dornes c ist größer als der innere Durchmesser des Rohres. Der
Dorn, der im Sinne des Pfeiles (Fig. z) fortschreitet, dehnt zunächst das Rohr bei
a.'. Sobald der Dorn an die Stelle der ersten Rippe gelangt, wird gleichzeitig auch
diese gedehnt, wobei sie elastisch verformt wird. Nachdem der Dorn die Rippe freigegeben
hat (vgl. die Stellung nach Fig. :2), wird auch die in der Rippe aufgespeicherte
große elastische Kraft frei, so daß die Rippe zurückfedert, wobei das Rohr eingeschnürt
wird. Dabei wird zwischen der Rippe und der nächstfolgenden Rippe eine Wulst d gebildet.
Nach dieser Verformeng
fährt die Rippe infolge der großen elastischen
Kraft, die in ihr verblieben ist, fort, auf das Rohr einen Druck auszuüben, dessen
Größe durch Wahl des Metalles für die Rippen und der Rohre sowie der Größe der Dehnung
je nach dem angestrebten Ziel bestimmt werden.
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Wie die Fig. i zeigt, weist das fertige Rohr eine Reihe von Ringwülsten
d auf, die durch Einschnürungen, die vom Anpreßdruck der Rippen herrühren, voneinander
getrennt sind.
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Die Rippen bestehen aus einem Metall mit _ einer hohen Elastizitätsgrenze,
damit die das Rohr umschließenden Ränder der Rippenöffnung fest auf das Rohr drücken
und auf dieses einen ständigen elastischen Druck ausüben. Das Metall der Rohre muß
weich genug sein, um, nachdem es ein erstes Mal eine dauernde Verformung durchgemacht
hat, ohne Bruchgefahr unter dem Einfluß der Rippen eine zweite Verformung im entgegengesetzten
Sinne durchmachen zu können.
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Die F ig. 4 zeigt die Spannungskurven als Funktion der Verformungen
der Rohre und der Rippen. Die in kg/mm2 ausgedrückten Spannungen sind als Ordinaten
und die in pro Mille ausgedrückten Längengen sind als Abszissen eingetragen.
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O A B und 0' A' B' stellen die Spannungsdehnungskurven
der Rohre und der Rippen dar, deren Bruchspannungen mit 0 K bzw.
0' IL' dargestellt sind. Die Strecke 0 0' veranschaulicht in dem für die
Dehnung gewählten Maßstab das Spiel, das zwischen dem Rohr und der Rippe vor der
Ausweitung vorhanden sein muß. Wenn das Rohr bis zur Spannung C über die Elastizitätsgrenze
A des Metalles der Rohre hinaus geweitet worden ist, dann werden die Rippen bis
zur Spannung C diesseits der Elastizitätsgrenze A' des Metalles der Rippen
aufgeweitet. Die Strecke 0-01 stellt die Dehnung des Rohres und die Strecke 0'-01
die Dehnung der Rippen dar. Nach dem Durchgang des Dornes werden die Rippen bestrebt
sein, ihre ursprüngliche Form wieder anzunehmen, indem sie sich in der Richtung
C'-0' elastisch verformen, während das Zurückweichen des Rohres in der Richtung
C-02 parallel zu A-0
vor sich geht, da die der Linie A-C entsprechende bleibende
Dehnung zunächst erhalten bleibt. An der Stelle 02, an der die bleibende Dehnung
des Rohres der Strecke 0-02 entspricht und die Spannung im Rohr gleich Null ist,
ist in dem Bereich der Rippe nahe ihrer Öffnung noch eine erhebliche Spannung
02 D' vorhanden. Vom Punkt 02 aus kommt daher das Metall des Rohres unter
Druckbeanspruchung. Da die Elastizitätsgrenze und der Elastizitätsmodul eines unter
Druckbeanspruchung stehenden Metalls fast die gleichen sind wie bei einem unter
Zugbeanspruchung stehenden Metall, verlängert sich die Spannu.ngsdehnungskurve unter
die horizontale Achse im Sinne der Linie 02-E, die annähernd in der Verlängerung
von C-02 liegt. Unter der von der Rippe auf das Rohr ausgeiibten Kraft vermindert
sich also der Durchmesser des Rohres, während in dem Metall Druckspannungen entstehen,
bis das Gleichgewicht zwischen diesen Spannungen und den in der Rippe vorhandenen
Dehnungsspannungen -eingetreten ist. Dieses Gleichgewicht w=ird beispielsweise bei
einer Dehnung 03 erreicht,"iderärt, daß die Druckspannungen 0s E im Rohr die gleichen
und entgegengesetzt gerichtet sind wie die Spannungen 03 E' in der Rippe. Diese
beiden Spannungen sind elastisch.
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Um ein derartiges Ergebnis beispielsweise mit Rippen aus Aluminiumlegierung
von o,4mm Stärke und mittleren Löchern von 20,5 mm zu erzielen, benutzt man
Rohre aus angelassenem Kupfer mit einem äußeren Durchmesser von 2o mm und einem
inneren Durchmesser von i 8,5 mm. Die Dehnung wird mit Hilfe eines gehärteten Stahldornes
mit einem äußeren Durchmesser von i9,ogmm durchgeführt. Während der Dehnung erreicht
der innere Durchmesser des Rohres einen Höchstwert von i9,og mm, wobei der äußere
Durchmesser des Rohres sowie der Durchmesser der Rippenlöcher 2o,59 mm erreicht.
N ach dem Durchtritt des Dornes ziehen sich die Rippenlöcher elastisch auf 2o,54
mm zusammen, und drücken auch den äußeren Durchmesser des Rohres an den unter den
Rippen liegenden Stellen auf den gleichen Wert herab, für welchen die in den Metallen
der Rippen und des Rohres bestehenden Spannungen im Gleichgewicht stehen.
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Es ist ferner wichtig, daß die Rippen genügend starr sind, damit -sie
sich nicht unter den Dehnungskräften beim Hindurchtritt des Dornes werfen. Unter
diesem Gesichtspunkt ist besonders die Verwendung von gefalteten oder gewellten
Rippen entsprechend Fig. 3 zu beachten. Diese Rippen sind durch zahlreiche kleine
Wellengen versteift.
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Selbstverständlich könnte das Verfahren nach der Erfindung auch auf
Rohre mit nicht kreisrundem Profil und auf Rippen angewendet werden, durch die mehrere-
Rohre hindurchgeführt sind.