AT507503A2 - Verfahren zur herstellung eines rohres und wärmeübertragungselement in welches das rohr eingebaut ist - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rohres und ein Wärmeübertragungselement in welchem das Rohr eingebaut ist.

Die US 3673845 A zeigt eine Fläche aus zwei miteinander verbundenen Schichten, wobei Streifen von nicht miteinander verbundenen Zonen Vorkommen. Die Fläche wird gebogen und während oder nach dem Biegen werden die nicht verbundenen Zonen durch Innendruck mittels eines Fluids zu Kanälen aufgebläht. So gebildete Körper können in Wärmetauschern verwendet werden.

Die JP 2007 32 7706 A beschreibt die Herstellung eines doppelwandigen, geraden Rohres für Wärmetauscher, wobei das innere Rohr mit einer nach Art eines Schraubengewindes verformten Mantelfläche an der Mantelfläche des äußeren Rohres anliegt. Das Innenrohr wird dazu durch ein Werkzeug umfasst und durch ein Druckfluid aufgebläht.

Gemäß der JP 1130 9535 A wird ein flach gedrücktes Kupferrohr in mutterngewindeartige Nuten eines Kessels eines Wärmetauschers eingelegt und dann durch Innendruck mit Hilfe eines Fluids aufgebläht, sodass es gut in die Nuten des Kessels passt.

Gemäß der JP 63 28 173 A wird das Innenvolumen eines Kühlerrohres definiert vergrößert, indem in das Rohr eine definierte Menge Wasser gedrückt wird.

Das Herzstück eines üblichen, als „Plattenabsorber" bezeichneten thermischen Sonnenkollektors ist die so genannte Kollektorplatte. Diese besteht aus einer im Wesentlichen ebenen Blechfläche aus Kupfer oder Aluminium und darauf verlaufenden, damit - beispielsweise durch Verlöteten - verbundenen, von Wärmeträgermedium

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durchflossenen Rohren, welche zumeist aus Kupfer hergestellt sind. Oft sind Blechfläche und Rohre gemeinsam auf einer ebenen Trägerplatte angeordnet, die aus einem Material besteht, welches gut Wärme isoliert. Dabei liegt die Trägerplatte auf der von der Sonne abgewandten Seite der Blechfläche, die Kupferrohre liegen dann üblicherweise zwischen Blechfläche und Trägerplatte in nutförmigen Vertiefungen der Blechfläche. Wärmestrahlung wird von der Blechfläche absorbiert und durch Wärmeleitung an die Rohre und weiter an das Wärmeträgermedium übertragen . Vom Wärmeträgermedium wird die Wärme durch Konvektion zu einem Verbraucher transportiert.

Je kleiner die Wärmekapazität des Kollektorplatte einschließlich Rohren ist, und je schneller Wärme von der Kollektorplatte an das Wärmeträgermedium geliefert werden kann, desto besser kann der Sonnenkollektor auch bei stark wechselnder Intensität der Einstrahlung und auch bei schon hoher Vorlauftemperatur des Wärmeträgermediums, Energie liefern. Aus diesem Grund ist es - bis zu der Grenze an der der Nachteil des erhöhten Fließwiderstand zu wichtig wird - vorteilhaft, die durch Wärmeträgermedium durchflossenen Rohre möglichst dünnwandig und mit möglichst kleiner Querschnittsfläche auszuführen und anstatt einer kleineren Anzahl von Rohren mit jeweils großer Querschnittsfläche eine größere Anzahl von Rohre mit jeweils kleinerer Querschnittsfläche anzuordnen. Die über die Kollektorplatte verlaufenden Rohre münden in Sammelrohre, welche am Rand der Kollektorplatte angeordnet sind. Um die mindestens zwei erforderlichen Sammelrohre am selben Rand der Kollektorplatte anordnen zu können und/oder um die Anzahl von Abzweigungen aus den Sammelrohren gering halten zu können, sollten die Rohre, welche über die Kollektorplatte verlaufen, U-förmig oder schlangenlinienförmig gekrümmt sein. Um die Kollektorplatte flach ausführen zu können, sollten die Querschnittsflä-

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che der Rohre flacher als die Kreisform sein. Deswegen werden Rohre nach dem Biegen oft noch in einer Presse flach gedrückt. In der Praxis hat sich gezeigt, dass man für Rohre, welche die für die Energiegewinnung optimalen Querschnittsabmessungen haben, unter wirtschaftlich sinnvollen Bedingungen nicht reproduzierbar zerstörungsfrei in die optimale Form biegen und pressen kann.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht darin ein Formgebungsverfahren für die in Kollektorplatten einzubauenden metallischen Rohre bereitzustellen. Gegenüber bekannten Verfahren zu diesem Zweck, sollen mit dem neu zu schaffende Verfahren Rohre besser reproduzierbar in die optimale Form gebracht werden können. Insbesondere sollen damit auch Rohre mit sehr kleiner Querschnittsfläche und dünner Wandstärke in die richtige Form gebracht werden können.

Zur Lösung der Aufgabe umfasst die Formgebung gemäß der Erfindung zumindest folgende zwei Schritte: — In einem ersten Schritte wird ein gerades Rohrstück in herkömmlicher Weise um eine Biegeschablone gebogen. — In einem folgenden Schritt wird das gebogene Rohrstück in einem Formnest eines Werkzeuges durch den Druck eines in das Rohrstück hinein gedrückten Fluids aufgebläht, sodass es mit seiner Mantelfläche an den Begrenzungsflächen des Formnestes zum Anliegen kommt.

Die Erfindung wird an Hand von Skizzen zu einer beispielhaften Ausführungsform veranschaulicht.

Fig. 1: zeigt eine Draufsicht auf die untere Hälfte eines Werk zeuges einschließlich Anschlussteilen für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verformung.

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Fig. 2: zeigt als vertikale Schnittansicht eine Querschnittsan sicht auf ein erfindungsgemäß verformtes Rohr im Formnest des Werkzeuges von Fig. 1.

Fig. 3: 2eigt in Draufsicht ein Rohrregister in welchem erfin dungsgemäß hergestellte Rohre enthalten sind in der Einbausituation an der Trägerplatte eines Plattenabsorbers.

Fig. 4: zeigt als vertikale Schnittansicht eine Querschnittsan sicht auf ein erfindungsgemäß hergestelltes Rohr in Einbausituation .

Das Rohr 1 liegt in seinem Ausgangszustand als gerades Rohrstück mit beispielsweise kreisringförmiger Querschnittsfläche vor. Zuerst wird es nach einem herkömmlichen Biegeverfahren in drei Biegevorgängen um jeweils eine Biegeschablone zu dem in Fig. 1 dargestellten Längsverlauf gebogen. In den gekrümmten Bereichen kann sich dabei die Querschnittsform des Rohres in an sich unerwünschter Weise dahingehend verändern, dass bezüglich des Krümmungskreises radial voneinander entfernt liegende Mantelflächenbereiche aufeinander zu bewegt werden. Dabei kann es sogar zu kleineren Einfaltungen kommen.

Das Rohr wird dann in die Nut in der unteren Formhälfte 2.1 der zweiteiligen Form 2.1, 2.2 eingelegt. Seine Enden werden in das

Verschlussstück 3, bzw. das Anschlussstück 4 eingesteckt. Gegen unerwünschte Bewegung aus der Nut heraus wird das Rohr überdies gehalten, indem es durch die Bohrungen 2.3, welche vom Nutgrund aus durch die untere Formhälfte verlaufen und an welche eine Unterdruckquelle angeschlossen sind, an den Nutgrund gesaugt wird. Sobald das Rohr 2.1 ordnungsgemäß in der Nut an der unteren Formhälfte 2.1 liegt, wird die Form geschlossen, indem die obere Formhälfte 2.2 an die untere Formhälfte 2.1 gedrückt wird. Dabei wird die Querschnittsfläche des Rohres 1 abgeflacht. Lokal kann es dabei zu Einfaltungen der Mantelfläche kommen, welche an sich

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unerwünscht sind, da sie eine Verengung des Fließquerschnittes im Rohr bedeuten.

In nächsten Schritt werden die Enden des Rohres und das Verschlussstück 3 bzw. das Anschlussstück 4 dichtend miteinander verbunden - was z.B. durch Bewegung von mit einem gummiartigen Material versehen Pressbacken bewerkstelligt werden kann. Idealerweise sind Verschlussstück 3 und Anschlussstück 4 am Werkzeug 2.1, 2.2 fixierbar.

Bei aneinander fixierten Formhälften 2.1, 2.2 wird dann über das Anschlussstück 4, Fluid durch die Pumpe 6 mit ausreichend hohem Druck in das Rohr 1 gepumpt um dieses aufzublähen bis seine Mantelfläche flächig und nicht nur punktuell an den Wandungen des Formnestes in den Formhälften 2.1, 2.2 anliegt. Die Querschnittsfläche des Rohres wird bei dem Druckvorgang verändert. Dabei können nicht nur unerwünschte Verformungen, welche beim Biegevorgang und bei dem durch das Schließen der Formhälften 2.1, 2.2 durchgeführten Pressvorgang hervorgerufen wurden, korrigiert werden, es kann auch über die ganze Rohrlänge eine gegenüber der ursprünglichen Querschnittsform günstigere Querschnittsform hergestellt werden.

Eine beispielhafte, sehr vorteilhafte Querschnittsform für das fertig geformte Rohr 1 ist die in Fig. 2 und Fig. 4 dargestellte Form eines Kreissegmentes, also jener Teilfläche einer Kreisfläche, die von einem Kreisbogen und einer Kreissehne begrenzt wird.

Damit ist ein Teil der Außenkontur der Querschnittsfläche eine horizontale Strecke. Indem das Rohr nur um dazu normal liegende Achsen gebogen ist, ist damit eine Außenfläche 1,1 des Rohres 1 eine gerade Fläche 1,1, also eine Fläche die nicht gekrümmt ist, sondern in einer Ebene liegt. Mit dieser Fläche 1.1 kann das Rohr in seiner Einbausituation an der Trägerplatte 7 des Plattenabsor-

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• • ·· ·· ·· f · • • 1 · • • · · • « « · ··· ♦ ·« ·· +43 7767 24424 4 S. 9 bers anliegen (Fig. 3, Fig. 4). Damit ergibt sich eine extrem flache Bauweise.

Die Blechfläche 8 (Fig. 4) des Plattenabsorbers wird am besten mit einem nutförmig geformten Bereich zum Anliegen auf dem Mantelbereich des Rohres gebracht, dessen Querschnittskontur etwa die Form eines Kreisbogens aufweist. Es ergibt sich damit auch bei einer nur geringen erforderlichen Verformung einer zuvor ebenen Blechfläche eine große Berührungsfläche zwischen Rohr 1 und Blechfläche 8. Insbesondere dann, wenn kleine Rohrquerschnitte verwendet werden - was bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens problemlos möglich ist - ist damit die Berührungsfläche zwischen Blechfläche und Rohr im Verhältnis zum Rohrvolumen so groß, dass auch dann ein ausreichend guter Wärmeübergang zwischen Rohr 1 und Blechfläche 7 besteht, wenn die beiden Teile nicht miteinander verlötet sind. Es reicht auch eine einfacher und kostengünstiger herzustellende Klebeverbindung oder überhaupt nur, dass Blechfläche und Rohr dauerhaft auf Druck aneinander anliegen. Dieses dauerhafte aneinander Anliegen kann durch passende Bemessung der Teile Blechfläche, Trägerplatte (welche mit der Blechfläche verbunden ist) und Rohrquerschnittsfläche erreicht werden.

Indem die Querschnittsform des fertigen Rohres 1 relativ flach ist, wird auch die gesamte Absorberplatte relativ flach. Damit kann auch das Gehäuse des Sonnenkollektors welches die Absorberplatte umfasst, in vorteilhafter Weise relativ flach ausgeführt werden.

Es ist nicht zwangsweise erforderlich, die Querschnittsfläche des fertigen Rohres an allen Längsabschnitten gleich auszuführen und es ist auch nicht unbedingt erforderlich das Rohr durchwegs in einer Ebene verlaufen zu lassen.

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Wie in Fig. 3 erkennbar, ist es dann, wenn die Sammelleitungen 11, 12 über welche Zu- und Abfuhr von Wärmeträgermedium zu/von den Rohren 1 erfolgt, am selben Rand des Bleches 7 angeordnet sind, zwingend erforderlich, dass sich Rohre 1 und eine Sammelleitung 12 überkreuzen. Damit dafür die Gesamtanordnung nicht extra hoch gebaut werden muss, können die Querschnittsfläche des Rohres 1 und der Sammelleitung 12 in dem Längsbereich, in welchem sie einander kreuzen, flacher ausgebildet sein als in den sonstigen Längenbereichen.

Es ist vorteilhaft Rohr 1 und Sammelrohr 12 wie beschrieben durch Aufblähen in einem Werkzeug zu verformen, wobei durch eine entsprechende Form des Formnestes sowohl eine optimierte flache Querschnittsform als auch an für die Kreuzung mit einem anderen Rohr vorgesehenen Längsbereichen eine Einbuchtung gedrückt werden kann.

An den Anschlussstellen zwischen Rohren 1 und Sammelrohren 11, 12 können die, die Öffnung in der Mantelfläche des Sammelrohres eingrenzenden Wandbereiche des Sammelrohres in das Sammelrohr hinein gefaltet sein. In die so gebildete Öffnung kann das Ende des Rohres 1 gesteckt und komfortabel verlötet werden. Wenn die Sammelrohre zu einer flachen Querschnittsform wie in Fig. 2 dargestellt verformt wurden, so hat man komfortabel Raum für diese Art der Verbindung.

Ohne die Anwendung der Erfindung darauf einzuschränken sei als beispielhafte Dimensionierungsinformation, mit Hilfe derer gute Ergebnisse erzielt werden, genannt:

Als Ausgangsprodukt für das Rohr 1 kann ein Kupferrohr mit kreisringförmiger Querschnittsfläche mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Wandstärke von 0,2 mm verwendet werden.

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Der Fluiddruck mit Hilfe dessen das so dimensionierte Rohr dann im Werkzeug gut aufgebläht werden kann beträgt etwa 200 bar.

Als Fluid, welches durch die Pumpe 6 in das Rohr 1 gepumpt wird, ist angesichts des kleinen Volumens und angesichts dessen, dass das Rohr von einem Werkzeug sicher umschlossen ist, Druckluft bestens geeignet. Man kann natürlich auch eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder Öl verwenden.

Die Blechfläche 8 kann durch Aluminiumblech mit einer Stärke von etwa 0,4 mm gebildet sein. Aus Gründen der Verformbarkeit und aus optischen Gründen ist es von Vorteil geriffeltes Blech, also solches mit einer Vielzahl von lokalen Erhebungen bzw. Vertiefungen, zu verwenden.

Der Abstand zwischen benachbarten Rohren 1 an einem Rohrregister kann etwa 4 cm betragen.

Die Länge zwischen zwei Bögen eines Rohres 1 bzw. zwischen einem Anschluss eines Rohres 1 und dem ersten Bogen kann 1,5 bis 2 m betragen.

Wie man an Hand des Dimensionierungsbeispiels leicht überprüfen kann, ist es bei der erfindungsgemäßen Herstellungsweise sehr gut möglich, sehr leichte Kollektorplatten herzustellen. Diese haben damit natürlich auch eine sehr geringe Wärmekapazität.

Das in Fig. 3 gezeigte, aus Sammelrohren 11, 12 und einzelnen

Rohren 1 bestehende Rohrregister kann nicht nur sehr leicht, sondern auch sehr flach sein. Es ist dadurch in sehr vorteilhafter Weise nicht nur für die Kollektorplatte eines Sonnenkollektors anwendbar, sondern auch für die folgenden weiteren Einsatzfälle: - Heiz- oder kühlbares Flächenelement für Wand oder Decke im Trockenausbau:

Dabei ist für die Trägerplatte 7 gemäß Fig. 3. Fig. 4 nicht ein wärmeisolierendes Material zu verwenden, sondern ein für

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• ft • · • ft • · • · ft· Μ· ··· + 43 7767 24424 4 • ·♦ Μ«« ·· · · β • · · · • · · · ··♦ ·· · S. 12 den Trockenausbau verwendbares Material wie typischer Weise eine Gipskarton. Das Rohrregister ist an der dem zu beheizenden bzw. zu kühlenden Raum abgewandten Seite des Flächenele-mentes anzubringen. — Kühlung eines Photovoltaik-Moduls:

Dabei ist das Register an der von der Sonne abgewandten Seite der mit Photovoltaik-Zellen belegten Fläche eines Photovoltaik-Moduls angebracht und wird zur Kühlung mit Wasser durchflossen. Durch die Kühlung wird der Wirkungsgrad der Photovoltaik-Zellen verbessert. Die mit dem Wasser vom Modul abgeführte Wärme kann anderswo - unter Umständen unter Zwischenschaltung einer Wärmepumpe - wieder zu Heizzwecken verwendet werden. Das Register also zusätzlich zur Photovoltaik-Nutzung als Teil eines solarthermischen Sonnenkollektors genutzt werden. — An einer Gebäudewand oder Gebäudedecke anzubringender und zu überputzender Heiz- oder Kühlteil zur Raumheizung bzw. Raumkühlung:

Dazu wird das Register an einer rohen Oberfläche einer Gebäudewand bzw. Gebäudedecke befestigt, mit Wasseranschlüssen versehen und überputzt.

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Claims (14)

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1 Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung eines Rohres, welches zu dem Zweck an einer ebenen Fläche anbringbar ist, dass Wärmeübertragung zwischen der ebenen Fläche und einem im Rohr fließenden Wärmeträgermedium stattfindet, wobei aus einem geraden Rohrstück durch einen oder mehrere Biegevorgänge ein eine oder mehrere Krümmungen aufweisendes, gebogenes Rohr geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das gebogene Rohr (1) durch ein Formnest eines Werkzeuges umfasst wird und dass ein Fluid in das Rohr hineingedrückt wird, sodass das Rohr aufgebläht wird und seine Mantelfläche dadurch gegen die Begrenzungsflächen des Formnestes gedrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr 1 vor dem Vorgang des Aufblähens, während des Schließens des Werkzeuges, durch zwei relativ zueinander bewegten Teile (2.1, 2.2) des Werkzeuges, verformt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jene Berührungsflächen der Teile (2.1, 2.2) mit dem Rohr (1) zwi schen denen beim Schließen des Werkzeuges das Rohr verformt wird, Begrenzungsflächen des Formnestes sind in welchem das Rohr im weiteren Verlauf aufgebläht wird.

4. Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die im Formnest erzeugte Querschnittsfläche des Rohres (1) breiter ist als hoch.

5. Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Mantelflächenseite des Rohres (1) im Formnest zu einer ebenen Fläche geformt wird.

6. Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass damit eine ursprünglich kreisringförmige Seite 10 06/11 2009 FR 13:09 [SE/EM NR 6223) @013 3 Nov 09 14:20 McSo1ar #· • • · ·· • · • • · • • · • • · ·«· ·· ·· +43 7767 24424 4 • · ···· S. 14 ··· ··

Querschnittsfläche des Rohres etwa in eine, ein Kreissegment also jene Teilfläche einer Kreisfläche, die von einem Kreisbogen und einer Kreissehne begrenzt wird - umfassende Form umgewandelt wird, wobei die gerade Strecke der Außenkontur der Querschnittsfläche des Rohres über den wesentlichen Längenbereich des Rohres normal zu der Achse / den Achsen liegt, um welche das Rohr gebogen wurde.

7. Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, im Formnest in die Mantelfläche des Rohres (1) eine sich über jenen kurzen Längsbereich erstreckende Einbuchtung gedrückt wird, an welchem das Rohr (1) in der Einbausituation ein weiteres Rohr (12) kreuzt.

8. Wärmeübertragungselement, welches ein im Wesentlichen ebenes Flächenelement und mindestens ein Rohr aufweist, wobei das Rohr mit einem Teil seiner Mantelfläche an dem Flächenelement anliegt und um eine Achse gebogen ist die normal zur Ebene des Flächenelementes steht und wobei das Rohr von Wärmeträgermedium durchflossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Rohres (1) durch Aufblähen des Rohres in einer Form (2.1, 2.2) mittels eines im Rohr befindlichen Fluids geformt ist.

9. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, dass die Querschnittsfläche des Rohres (1) breiter ist als hoch.

10. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Rohres (1) eine Fläche umfasst, die zumindest annähernd die Form eines Kreis segments aufweist, wobei die gerade Strecke der Außenkontur der Querschnittsfläche des Rohres über den wesentlichen Längenbereich des Rohres parallel zur Ebene des Flächenelementes (7,8) liegt. Seite 11 06/11 2009 FR 13:09 [SE/EM NR 6223] @014 3· Nov oa 14:20 McSo1ar

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11. Wärmeübertragungselement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es als Kollektorplatte eines Sonnenkollektors verwendet wird.

12. Wärmeübertragungselement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das ebene Flächenelement (7, 8) mit Photovoltaik-Zellen versehen ist.

13. Wärmeübertragungselement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das ebene Flächenelement (7, 8) eine für den Trockenausbau als Flächenelement für Wand oder Decke verwendbare Platte ist.

14. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 5, dass das ebene Flächenelement eine Mauer ist und dass das Rohr (1) überputzt ist. Seite 12 06/11 2009 FR 13:09 [SE/EM NR 6223] ®015