DE960639C - Waermeaustauschelement und Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung desselben - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 28. MÄRZ 1957

A 18930 Ia/17f

Gustaf Vilhelm Hagby

Die Erfindung betrifft ein Wärmeaustausichelement, das aus einer metallischen, im allgemeinen rohrförmigen Grundwandung besteht, die mit oberflächenvergrößernden, endweise befestigten Metallstäbchen oder drahten hoher Wärmeleitfähigkeit versehen ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben und eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.

Es ist bekannt, die Oberfläche von Wärmeaustauschelementen durch Metallstäbchen oder -drähte, die einzeln an die Wandung des Austauschelementes angeschweißt sind, zu vergrößern. Solche Anordnungen sind aber insofern ungünstig, als für jedes Element eine besondere Schweißnaht erforderlich ist.

Gemäß der Erfindung werden die Stäbchen derart gruppenweise befestigt, daß die Stäbchen jeder Gruppe an der Grundwandung dicht beieinander sitzen und durch Schweißen oder Löten mit der Grundwandung durch eine gemeinsame Schweiß- ao bzw. Lötnaht vereinigt und im übrigen voneinander getrennt sind. Hierdurch erhält der Wärmeaustauscher ein günstigstes Verhältnis zwischen wärmeaufnehmender Oberfläche und dem entsprechenden

gesamten Querschnitt für den Wärmedurchgang je Verbindung, also eine optimale Ausnutzung des Materials der. Oberfläche. Vorzugsweise sind die Stäbchen derart gruppenweise derart befestigt, daß die Entfernung zwischen den äußeren Enden der Stäbchen jeder Gruppe gleich der Entfernung zwischen den äußeren Enden der nächstliegenden Stäbchen zweier benachbarter Stäbchengruppen ist, so daß die äußeren Enden der Stäbchen gleichmäßig ίο über die Oberfläche, auf der mehrere Stäbchengruppen befestigt sind, verteilt sind. Dabei können sie im wesentlichen nach der gleichen Richtung gebogen sein; Das Aufbringen der Stäbchen erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Stäbchen oder Drähte jeder Gruppe durch Schweißtmg oder Lötung auf der Oberfläche des Wärmeaustauschelementes gleichzeitig befestigt werden. Zu diesem Zweck werden zweckmäßig die Stäbchen einer Gruppe während des Aufbringens parallel gehalten so und nach der Befestigung derart auseinandergespreizt, daß ihre freien Enden sich in größerer Entfernung voneinander befinden als ihre befestigten Enden. Die für eine Gruppe vorgesehenen Stäbchen können auch, schon während des Auf schweißens j»5 auseinandergespreizt gehalten werden. Die Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens besteht im wesentlichen aus einer Speisevorrichtung zum gruppenweisen Vorschieben der aus dem Vorrat zugeführten Drähte oder Stäbchen in eine Ktemmvorrichtung od. dgl., die zum Ergreifen gruppenweise ankommender Drähte oder Stäbchen und zum Festhalten derselben während" des Schweißvorganges geeignet und derart angeordnet ist, daß die zur Aufschweißung vorgesehenen Enden frei sind und nahe aneinander gleichzeitig auf die Oberfläche geführt werden, auf der sie festzuschweißen sind. Vorzugsweise besitzt mindestens ein Teil der Stäbchen einen Überzug, der im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Metall der Grundwandung besitzt und vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie die Grundwandung besteht. Dieser Gedanke ist bereits Gegenstand des älteren Patents 883612.

In den Zeichnungen werden einige Ausführungsformen schematisch und als Beispiel gezeigt.

Fig. ι zeigt ein rohrfönniges Wärmeaustauschelement mit daran befestigten und gruppenweise angeordneten Stäbchen;

Fig. 2 stellt eine Abänderung des Wärmeaustauschelementes nach Fig. 1 dar; in

Fig. 3 bis 6 wird 'eine Vorrichtung zur Aufschweißung der Stäbchen veranschaulicht;

Fig. 7 zeigt eine Einzelheit, von der Seite gesehen;

Fig. 8 stellt einen Schnitt entlang der Linie IX-IX in Fig. 7 dar;

Fig. 9 stellt eine Abänderung der Verrichtung nach Fig. 3 dar.

Das in Fig. 1 gezeigte Wärmeaustauschelement besteht aus einem Rohr 1, beispielsweise aus Stahl, und an dessen äußerer Oberfläche befestigte Stäbchen 2, die aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen und gruppenweise mit vier Stäbchen in jeder Gruppe angeordnet sind, wobei die Gruppen über der äußeren Oberfläche des Roh.-res gleichmäßig verteilt sind. Obwohl die Anzahl der Stäbchen jeder Gruppe in Fig. 1 vier ist, kann diese Anzahl natürlich eine andere sein. Ferner kann die Wandung, an welcher die Stäbchen befestigt sind, natürlich z. B. eben statt rohrförmig sein.

Die Anzahl von Stäbchen, die in jeder Gruppe enthalten sind, ist in erster Linie vom Durchmesser der einzelnen Stäbchen bestimmt. Als Regel gilt, daß die Anzahl von Stäbchen pro Gruppe größer ist, je kleiner der Durchmesser der Stäbchen. Außerdem wird in der Regel die Länge der Stäbchen mit dem Durchmesser der Stäbchen erhöht. Die Ausdehnung der Stäbchen und die Anzahl von Stäbchen in jeder Gruppe sind attßerdem von den α-Werten (Wärmeübergangszahlen) der Mittel abhängig, die von der Wand getrennt sind, an welcher die Stäbchen befestigt sind. Hierbei kann man in der Regel damit rechnen, daß die Anzahl von Stäbchen pro Gruppe größer ist, je größer der Unterschied in α-Wert zwischen dem Mittel, das die Stäbchen bestreicht, und dem innerhalb des Rohres strömenden Mittel, wobei vorausgesetzt wird, daß das letztere einen größeren α-Wert hat und keine oberflächenvergrößernde Stäbchen od. dgl. berührt.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sitzen die Stäbchen jeder Gruppe dicht aneinander an der Grundfläche, an welcher sie befestigt sind, und divergieren auswärts von der Grundfläche, d. h., die freien Enden der Stäbchen befinden sich in größerer Entfernung Voneinander als die befestigten Enden. Die Stäbchen der verschiedenen Gruppen in Fig. 1 skid vorzugsweise festgeschweißt oder -gelötet, während sie parallel zueinander gehalten worden sind, wie in der äußeren, kreisförmigen Reihe in Fig. 1 gezeigt worden ist, wonach sie in einem nachfolgenden Arbeitsvorgang derart gebogen sind, daß sie auswärts von der Grundfläche divergieren. Es läßt sich auch denken, daß. sie schon während des Befestigungsvorganges in divergierenden Stellungen gehalten werden.

Das in Fig. 2 gezeigte Wärmeaustauschelement unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 1 hauptsächlich hinsichtlich der Anzahl und den Dimensionen der Stäbchen. Wie aus¹ Fig. 2 hervorgeht, in welcher der Einfachheit halber nur fünf Gruppen gezeigt worden sind, ist die Anzahl der Stäbchen oder Drähte 2 sechs anstatt vier pro Gruppe, wobei die Drähte kleinere Durchmesser als in Fig. 1 haben und hauptsächlich in Ebenen liegen, die senkrecht zur Längsachse des rohrförmigen Elementes 1 sind. Die Biegung kann zweckmäßig derart ausgeführt werden, daß das Element in eine Drehbank eingespannt und in Umdrehung um seine Längsachse versetzt wird, wo- iao bei eine feste Schiene in den Weg der freien Enden der Stäbchen eingeführt wird, welche dann rückwärts gegen die Umlaufsrichtung gebogen werden.

Fig. 3 bis 6 veranschaulichen schematisch, wie 1*5 eine Vorrichtung zur Aufschweißung und Aus-

biegung der Stäbchen im Prinzip auegebildet sein kann. Fig. 3 stellt die Vorrichtung in Ausgangsstellung perspektivisch dar. Fig. 4 bis 6 zeigen die Vorrichtung von oben gesehen in der Ausgangsstellung, in einer Zwischenlage bzw. in einer Endlage. In den Figuren wird vorausgesetzt, daß jede Gruppe, die gleichzeitig aufgeschweißt bzw. ausgebqgen wird, aus vier Drähten besteht.

Die Hauptteile der in Fig. 3 bis 6 gezeigten Vorrichtung sind die Drahtrollen 10, die Vorschubrichtung, die aus vier Walzen 11 und ihren Antriebsorganen bestehen, die nicht gezeigt worden sind, um die Figur nicht unnotigerWeise zu komplizieren, und die schubweise die vier Drähte, aus welchen die Stäbchen abgeschnitten werden, vorschieben, ein festes Steuerorgan 12, durch, welches die Drähte laufen, ein in zwei zueinander senkrechten Richtungen beweglicher, spannungsführender Schweißhalter 13 und ein hin und her beweglicher

ao Anpreßkolben 14 mit einem Dorn ι ζ.

In der in Fig. 3 und 4 gezeigten Ausgangslage sind die Stäbchen 16 und 17 schon an dem Rohr 18 aufgeschweißt und die Drähte 19 so weit vorgeschoben, daß ihre Vorderenden etwas vor derjenigen Seite des Schweißhalters 13 hervorragen, die dem Rohr 18 zugekehrt ist. Im nächsten Arbeitsvorgang werden die Drähte ia_a gleich mit der Vorderseite I2_O des Steuerorgans 12 dadurch abgeschnitten, daß der Schweißhalter 13 in der Richtung des Pfeiles 20 vorwärtsgeschoben wird, bis die Entfernung zwischen der Längsachse des Domes 15 und den abgeschnittenen Stäbchen ia_a einer Teilung zwischen zwei naheliegenden Gruppen entspricht. Die Vorrichtung befindet sich jetzt in der in Fig. S gezeigten Lage. Im dritten Arbeitsvorgang werden sowohl der Anpreßkolben 14 mit dem Dorn 15 als der Schweißhalter 13 mit den Stäbchen 1 g_a in der Richtung des Pfeiles 21 geschoben. Dabei wird der Dorn 15 zwischen die Stäbchen 17 hineingepreßt und verbreitet sie, so daß sie wie die Stäbchen 16 auswärts von der äußeren Oberfläche des Rohres 18 divergieren, wobei außerdem die Stäbchen 19« an das Rohr 18 gedrückt werden (Fig. 6). Dabei wird der Schweißstromkreis geschlossen, und die Stäbchen werden an dem ,Rohr aufgeschweißt. In dem nächsten Arbeitsvorgang werden der Anpreßkolben 14 mit dem Dorn 15 und der Schweißhalter 13 (ohne Stäbchen 19a) in der Richtung des Pfeiles 22 nach der Lage gemäß Fig. 5 zurückgezogen. Im folgenden Arbeitsvorgang wird nur der Schweißhalter 13 in der Richtung des Pfeiles· 23 nach seiner Ausgangslage zurückgezogen. In dem nächsten, beendenden Arbeitsvorgang werden" die Drähte 19 wiederum eine Stäbchenlänge vorgeschoben, so daß ihre äußeren Enden vor derjenigen Seite des Schweißhalters 13, die dem Rohr 18 zugekehrt ist, hervorragen, wobei außerdem auch das Rohr 18 'eine Teilung vorgeschoben wird. Darauf wiederholt sich der beschriebene Vorgang, bis eine Reihe-von Stäbchengruppen aufgeschweißt und zum Divergieren voneinander gebracht worden sind, wonach das Rohr eine Teilung gedreht wird und die Reihe an die nächste Stäbchenreihe kommt usw.

Natürlich kann die Drehung des Rohres vor der Verschiebung desselben kommen, so daß eine kreisförmige Reihe von Stäbcbengruppen aufgeschweißt wird, .gleichzeitig als die Stäbchen der Gruppen der vorangehenden Reihe zum Divergieren gebracht werden, wobei das Rohr erst danach eine Teilung in seiner Längsrichtung verschoben wird. Die Wandung, an welcher die Stäbchen zu befestigen sind, muß natürlich nicht die Form eines Rohres haben, sondern kann auch z.B. eben sein, wobei gegebenenfalls Stäbchen auf den beiden Seiten der Platte aufgeschweißt bzw. zum Divergieren gebracht werden können.

In Fig. 7 und 8 wird ein Dorn 15 in größerem Maßstab gezeigt, der dazu gemeint ist, vier Stäbchen zum Divergieren zu bringen. Natürlich können auch Dorne ausgeführt werden, die für eine andere 8a zweckmäßige Anzahl von Stäbchen", z. B. drei, gemeint sind.

Fig. 9 zeigt schematisch eine abgeänderte Aus- · führung-sform der Vorrichtung zum Aufschweißen und zur nachfolgenden Ausbreitung von Stäbchen an einem Rohr. Ähnliche Vorrichtungen können natürlicherweise auch an ebenen Platten od. dgl. Verwendung finden, deren eine oder beide Seiten, gegebenenfalls gleichzeitig, mit aufgeschweißten Stäbchengruppen zu versehen sind, in welchen die Stäbchen zum Divergieren voneinander gebracht werden sollen.

Die Hauptteile der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung sind der Vorrat 25, für Stäbchen 26, die Vorschubrichtung 27, das Steuerorgan 28, der Schweißhalter 29, 30 und der Anpreßkolben 31 mit dem Dorn 32.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist hauptsächlich die folgende:

Unter Einwirkung des der Einfachheit halber nur schematisch gezeigten Steuerorgans 28 bewegt sich die Vorschubrichtung 27, der Schweißhalter 29, 30 und die in denselben !eingespannten Stäbchen 26_e und der Anpreßkolben 31 mit 'dem Dorn 32 in der Richtung des Pfeiles 34 auf das Rohr 33 zu bis in'die in- Fig. 9 gezeigte Lage, in welcher die Schweißung geschieht. Dann gibt der Halter 29, 30 die Stäbchen 26_a frei, wonach die Teile 27 bis 32 (in der dem Pfeil 34 entgegengesetzten Richtung) in ihre andere Endlage zurückkehren, in welcher eine neue Stäbch'engruppe in die Vorschubrichtung 27 aus dem Vorrat 2 5 hinunterfällt.

Die Schweißhalter 23 und 29-30 können gegebenenfalls gekühlt sein, damit die Drähte an ihnen nicht haften, und um das Ausglühen der Drähte zu verhindern. Wenigstens, wenn die Anzahl der Stäbchen pro Gruppe klein ist, läßt es sich denken, die Schweißhalter derart anzuordnen, daß die Stäbchen schön innerhalb der Halter divergieren. Dieses bringt dann den Vorteil, daß der Anpreßkolben 14 bzw. 31 und der Dorn 15 bzw. 32 überflüssig werden.

Die beschriebenen und gezeigten Ausführungsformen der Erfindung sind natürlich nur als Beispiele gewählt und können bezüglich ihrer Einzelbeiten ohne Überschreiten des Rahmens der Erfin-

dung in mehreren Weisen abgeändert werden. So kann z. B. das Steuerorgan einen Teil des Schweißhalters darstellen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Wärmeaustauschelement, das aus einer, metallischen, im allgemeinen rohrförmigen Grundwandung besteht, die mit oberflächenvergrößemden, endweise befestigten Metallstäbchen oder -drähten hoher Wärmeleitfähigkeit versehen ist, ■dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbchen derart gruppenweise befestigt sind, daß die Stäbchen jeder Gruppe an der Grundwandung dicht beieinandersitzen und durch Schweißen oder Löten mit der Grundwandung durch eine gemeinsame Schweiß- bzw. Lötnaht vereinigt und im .übrigen voneinander getrennt sind.

   ao 2. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbchen jeder Gruppe im wesentlichen in derselben Richtung gebogen sind.

   3. Wärmeaustauschelement nach Anspruch 1 S5 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Stäbchen einen Überzug hat, der im wesentlichen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie das Metall der Grundwandung besitzt, und vorzugsweise aus dem gleichen Metall wie die Grundwandung besteht.

   4. Wärmeaustauschelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbchen gruppenweise derart befestigt sind, daß die Entfernung zwischen den äußeren Enden der Stäbchen jeder Gruppe gleich der Entfernung zwischen den äußeren Enden der nächstliegenden Stäbchen zweier benachbarter Stäbchengruppen ist.

   5. Verfahren zur Herstellung der Gegenstände der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbchen oder Drähte jeder Gruppe durch Schweißung oder Lötung auf der Oberfläche des Wärmeaustauschelementes gleichzeitig befestigt werden.

   6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbchen od. dgl. einer Gruppe während der Aufschweißung od. dgl. parallel gehalten und nach der Befestigung derart auseinandergespreizt werden, daß ihre freien Enden sich in größerer Entfernung voneinander befinden als ihre befestigten Enden. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufschweißung usw. der Stäbchen einer Gruppe gleichzeitig die einer benachbarten Gruppe gespreizt werden.

   8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbchen, die für eine Gruppe vorgesehen sind, bereits während des Aufschweißens auseinandergespreizt gehalten werden. 60·

   9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbchen bzw. Drähte vor dem Aufschweißen usw. auf Maß, geschnitten werden.

   10. Vorrichtung zur Ausführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9 zur Befestigung der Stäbchen oder der Drähte an einem Element durch elektrische Widerstandsschweißung, gekennzeichnet, durch eine Speisevorrichtung zum gruppenweisen Vorschieben der 7°· aus dem Vorrat zugeführten Drähte oder Stäbchen in eine Klemmvorrichtung od. dgl., die zum Ergreifen gruppenweise ankommender Drähte oder Stäbchen und zum Festhalten derselben während des Schweißvorganges geeignet und derart angeordnet ist, daß die zur Aufschweißung vorgesehenen Enden frei sind und nahe ärfauv ander gleichzeitig auf die Oberfläche geführt werden, auf der sie festzuschweißen sind.

   n. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch Sogekennzeichnet, daß sie mit einer Anzahl von Drahtrollen versehen ist, die der Anzahl von Stäbchen pro Gruppe entspricht..

   12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Vorschubeinrichtung, die eine Anzahl zusammenwirkender, intermittierend betriebener drehbarer Walzen enthält.

   13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißhalter, über den der Stromkreis geschlossen wird, derart ausgebildet ist, daß dm Zusammenwirken mit den Steuereinrichtungen die Drähte in passender Lange vor dem Aufschweißen auf die Wandung abgeschnitten werden.

   14. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Vorratsbehälter mit auf passende Länge geschnittenen Stäbchen oder Drähten.

   15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Vorschubvorrichtung, welche in einer hin- und hergehenden Bewegung die Stäbchen zur -Schweißstelle führt.

   16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch ein Steuerorgan für. die Drähte od. dgl. zwischen der Vorschubvorrichtung und dem Schweißhalter.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 665 594; USA.-Patentschrift Nr. 2 584 189.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   & 609 656/337 9.56 (609 845 3.57)