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Rippenrohr mit einem flachen Basisflansch und mindestens einem zu
zahlreichen Lamellen aufgeschnittenen Rippenabschnitt und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Rippenrohr, dessen Rippen unterteilt sind, so
daß sie zahlreiche, nicht zusammenhängende Streifen bilden, und auf ein Verfahren
zu dessen Herstellung.
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Bei vielen Einrichtungen, z. B. bei Heizkörpern, Klimaanlagen, Warmluftöfen
und Strahlern, bei denen in den meisten Fällen ein rohrähnliches Gebilde für das
Heiz- oder Kühlmittel sowie eine wärmeleitend damit verbundene Fläche vorhanden
ist, über die Luft geblasen wird, ist die Größe der Einrichtung in einem gewissen
Ausmaß durch die Abmessungen der Wärmeübertragungsflächen bestimmt, die für die
Durchführung der betreffenden Aufgabe erforderlich sind. Daher ist es wichtig, die
Wärmeübertragungsleistung je Größeneinheit zu erhöhen.
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Rippenrohre mit längs einer Schraubenlinie aufgewickelten Rippen,
die L-förmigen Querschnitt besitzen, wobei ein Schenkel des Materials einen auf
den Rohren befestigten Basisflansch und der andere Schenkel einen langgestreckten
und derart geschlitzten Rippenabschnitt bildet, daß er eine große Zahl vom Rohr
abstehender Stacheln aufweist, sind bekannt. Auch das Löten der Rippen von Rippenrohren
durch Aufkleben zu ersetzen ist vorbeschrieben. Wenn die von den bekannten Rippenrohren
abstehenden Stacheln mit Feuchtigkeit oder Wasser in Berührung kommen, wie dies
bei dem Verdampfer einer Klimaanlage der Fall ist, und wenn die Rippen zu eng gewickelt
sind, läuft die zwischen benachbarten Rippen sich sammelnde Flüssigkeit nicht einwandfrei
ab und beeinträchtigt die Wärineübertragungsleistung der Oberfläche. Das sich zwischen
den Rippen ansammelnde Kondensat wird durch die Kapillarkräfte zwischen dem Wasser
und der Rippenoberfläche festgehalten und das Hinwegströmen der Luft behindert.
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Ferner ergeben sich bei derartigen Wärmeübertragungsflächen häufig
Korrosions- oder Oxydationserscheinungen, durch welche der Wärmeübergang ebenfalls
stark behindert und außerdem die Lebensdauer des Rippenrohres stark herabgesetzt
wird. Wenn für das Rohr und die Rippen verschiedene Metalle verwendet werden, tritt
zwischen den beiden Metallen eine unerwünschte galvanische Korrosion auf. Um diesen
Nachteil zu vermeiden, müßte man die betreffende Fläche aus teureren Metallen herstellen,
so daß sich ein sehr hoher Preis für die Rippenrohre ergäbe.
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Diese Nachteile werden bei dem Rippenrohr, bei dem ein dünner Streifen
aus einem Rippenmaterial, das einen flachen Basisflansch und mindestens einen Rippenabschnitt
aufweist, der zu zahlreichen Lamellen aufgeschnitten ist und schraubenförmig um
ein Rohr gewickelt ist, erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß das Rohr einen Durchmesser
von nicht mehr als etwa 25 mm aufweist, die Rippenteile sich in einem Abstand von
nicht mehr als 1,6 mm befinden und die Lamellen nicht breiter als 0,8 mm sind. Obwohl
die Rippen eng nebeneinander gewickelt sind, kann die entstehende Kondensflüssigkeit
einwandfrei ablaufen, so daß sich eine bessere Wärmeübertragung ergibt.
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Man kann für die Rippenflächen und die Basisfläche verschiedene Metalle
verwenden, ohne daß dadurch galvanische Korrosionserscheinungen auftreten würden.
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Das Verfahren zur Herstellung des Rippenrohres besteht erfindungsgemäß
darin, daß man einen Streifen aus einem Rippenmaterial Uförmig falzt, den längeren
Schenkel in zahlreiche Lamellen aufschneidet, einen Klebstoff auf die Rohroberfläche
aufbringt und den als Basisflansch dienenden kürzeren Schenkel unter Spannung uni
das Rohr wickelt, wobei Klebstoff zwischen die aneinanderliegenden Windungen der
Rippenabschnitte gepreßt wird. Bei diesem Verfahren ist es nicht erforderlich, Rohre
zu erweitern oder Schweiß- oder Lötarbeiten vorzunehmen, nachdem die Rippe auf das
Rohr aufgewickelt worden ist.
Der Klebstoff, der die Bindung zwischen
dem Basisflansch des Rippenmaterials und dem Rohr herstellt, dient außerdem dazu,
Korrosionserscheinungen am Rohr herabzusetzen und einen guten Wärmeübergang zwischen
den verklebten Teilen zu gewährleisten.
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Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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In Fig. 1 ist 2 ein Rohr, durch das ein Heiz- bzw. Kühlmittel hindurchgeleitet
wird, mit sich vom Rohr weg erstreckenden, schraubenlinienförmig gewundenen Rippenteilen
3. Wie man aus dem im Schnitt gezeichneten Teil von Fig. 1 erkennt, haben die nach
außen ragenden, schraubenförmig aufgewickelten Rippenteile 3 einen L-förmigen Querschnitt,
wobei ein Schenkel den Basisflansch 4 und der andere Schenkel den längeren Rippenteil
3 bildet, der von dem Rohr radial nach außen absteht. Für das Rippenmaterial ist
besonders geeignet ein Aluminiumstreifen mit einer Dicke von nicht mehr als etwa
0,25 mm. Er läßt sich einwandfrei verarbeiten, und man erhält bei diesem Material
die erforderliche Steifigkeit sowie die nötige Geschmeidigkeit. Der Basisflansch
4 wird auf das Rohr 2 derart aufgewickelt, daß sich die Basisflansche der
aufeinanderfolgenden Windungen dicht aneinander anschließen. Um die Festigkeit zu
erhöhen, sind die Basisflansche sämtlicher Windungen von doppelter Stärke des Aluminiumstreifens
ausgebildet.
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Von erheblicher Bedeutung des Wärmeübergangs von der Wärmeübertragungsfläche
auf ein gasförmiges Medium, das mit dieser Fläche in Berührung kommt, sind die Abstände
zwischen den Rippenteilen. Man kann nämlich innerhalb bestimmter Grenzen eine größere
Wärmeübertragungsleistung je Längeneinheit des Rohres erzielen, wenn man die Rippen
in kleineren Abständen voneinander anordnet. Wenn man den Basisflansch 4 schmal
ausbildet und die Flansche eng nebeneinander aufwickelt, kann man eine sehr eng
gewickelte Wärmeübertragungsfläche erhalten. Wenn die Rippen jedoch zu eng gewickelt
werden, besteht die Gefahr, daß Kondenswasser in den Zwischenräumen der Rippenabschnitte
3 hängenbleibt. Bei den Vergleichsversuchen mit lückenlosen, schraubenförmig gewickelten
Rippen und solchen Rippenrohren, bei denen die Rippen unterbrochen waren, wobei
die Breite der einzelnen Abschnitte etwa 3 mm betrug, zeigte sich, daß kleine Wassertropfen
bei den beiden Rippenrohren nicht einwandfrei ablaufen, wenn mehr als etwa sechs
Rippen je Zentimeter Rohrlänge aufgewickelt wurden. Das Ablaufen der Wassertröpfchen
zwischen den Rippen wurde durch die Oberflächenspannung der Wassertröpfchen und
der Kapillarkräfte zwischen den Wassertröpfchen und den Oberflächen des Rippenmaterials
verhindert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Rohr werden diese Nachteile vermieden, auch
wenn etwa sechs Rippen je Zentimeter oder sogar weniger Rippen auf das Rohr
aufgewickelt werden. Fig. 3 zeigt das zur Herstellung der Rippen dienende Streifenmaterial
vor dem Aufwickeln auf das Rohr. Es besitzt einen L-förmigen Querschnitt, bei dem
der längere Rippenteil 3 im wesentlichen rechtwinklig zu dem Basisflansch 4 angeordnet
ist. Der breitere Rippenteil 3 wird von seiner Oberkante 5 aus bis zu derjenigen
Linie, an der er in den Basisflansch 4 übergeht, derart geschlitzt, daß zahlreiche
längliche Lamellen 6 entstehen, deren Breite nicht größer ist als etwa 0,8 mm. Wenn
das L-förmige Material schraubenlinienförmig auf das Rohr 2 aufgewickelt wird, trennen
sich die einzelnen Lamellen 6 voneinander und bilden einzelne Strahlflächen, die
von dem Rohr 2 nach außen abstehen.
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Wie man in Fig. 2 erkennt, ist der Rippenteil 3 in eine große Zahl
von Lamellen 6 unterteilt, und zwischen den Kanten 7 jeweils einander benachbarter
Lamellen 6 ist ein geringer Abstand vorhanden, der sich in Richtung auf den Basisflansch
4 und das Rohr 2 allmählich verkleinert. Diese Abstände zwischen den Lamellen richten
sich natürlich sowohl nach dem Durchmesser des Rohres 2 und der Zahl der je Längeneinheit
des Rippenmaterials vorgesehenen Lamellen 6. Bei einem Rohrdurchmesser von nicht
mehr als etwa 25 mm sollen die Lamelle 6 eine Breite von etwa 0,8 mm nicht überschreiten.
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Es ist anzunehmen, daß man beim Unterteilen des Rippenteils 3 in etwa
0,8 mm breite Lamellen an der Fläche 3 a die erforderliche »Kantenwirkung« hervorruft,
die benötigt wird, um die Kapillaranziehungskräfte und die Oberflächenspannung zu
überwinden, die das Wasser am Abfließen hindern würden. Es wurde nämlich beobachtet,
daß um so mehr Wasser bei Rippenrohren der hier beschriebenen Art hängenbleibt,
als man einzelne Lamellen breiter macht als etwa 0,8 mm und man die Rippenteile
3 so eng wickelt, daß je Zentimeter Rohrlänge etwa sechs oder mehr Windungen vorhanden
sind. Ferner wurde beobachtet, daß das Wasser weniger leicht hängenbleibt, wenn
die Breite der Lamellen etwa 0,8 mm oder weniger beträgt.
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Wenn man den lamellenförmigen Rippen eine sehr geringe Breite gibt,
erhält man als weiteren Vorteil eine erhebliche Vergrößerung des Wertes für den
Wärmeübergang von der Rippenoberfläche zur umgebenden Luft je Flächeneinheit der
Oberfläche. Es wurden Vergleichsversuche durchgeführt, um die Koeffizienten für
den Wärmeübergang von der Rippenoberfläche zur umgebenden Luft bei verschiedenen
Luftgeschwindigkeiten und bezogen auf die Flächeneinheit der Rippenrohre mit lamellenförmigen
Rippenteilen unterschiedlicher Breite zu ermitteln. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit
von etwa 90 m in der Minute ergab eine Fläche mit einer Lamellenbreite von etwa
0,8 mm einen Wärmeübergangsbeiwert von etwa 44 kcal in der Stunde je Quadratmeter
des Flächenmaterials, wenn der Temperaturunterschied zwischen der Luft und einem
Kühlmittel in den Rohren 0,555° C betrug. Bei einem Rippenrohr, bei dem die Breite
der Lamellen etwa 9,5 mm betrug, ergab sich ein Wärmeübergangswert von nur etwa
25 kcal/h/m2, während einer Fläche, die eine lückenlose Rippe bildete, d. h., bei
der die eigentliche Rippe nicht geschlitzt war, ein Wert von etwa 18 kcal/h/in=
zukam. Der Wärmeübergangswert erhöht sich also um etwa 18 kcal/h/m-, wenn man- die
Breite der Stacheln von etwa 3,2 mm auf etwa 0,8 mm vermindert. Der Wert steigt
nur um etwa 7 kcal/h/m2 an, wenn man von einer ungeschlitzten Rippe zu einer aus
Lamellen bestehenden Rippe (Breite etwa 3,2 mm) übergeht. Diese starke Zunahme des
Wärmeübergangswertes bei Lamellen von nur etwa 0,8 mm Breite ermöglicht es, die
Abmessungen eines Rippenrohres im Vergleich zu einem solchen mit ungeschlitzter
Rippenfläche oder zu
einem mit einer Lamellenbreite von etwa 3,2
mm wesentlich zu verkleinern.
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Fig. 4 erläutert das Verfahren, mit dessen Hilfe die in Lamellen unterteile
Rippenfläche hergestellt wird. Das noch unverarbeitete Rippenmaterial
11 befindet sich aufgerollt auf einer Welle 12. Beim Abrollen des Materials
11 passiert es mehrere zum Formen dienende Werkzeuge 13 und 14. Das erste Formwerkzeug
13 verleiht dem dünnen Rippenmaterial einen L-förmigen Querschnitt, das zweite Formwerkzeug
14 faltet den unteren Schenkel des L-förmigen Materialquerschnitts auf sich selbst
zurück, so daß der Basisflansch 4 gemäß Fig. 3 die doppelte Materialdicke erhält.
Danach passiert das L-förmige Material zwei Walzen 16 und 17, die den längeren Schenkel
des Materials mit Schlitzen versehen und ihn in zahlreiche schmale Lamellen 6 unterteilen.
Das Rohr 2 wird durch eine Antriebsvorrichtung 18 hindurchgeführt, mittels deren
es gedreht und geradlinig auf das geschlitzte Rippenmaterial, welches auf das Rohr
aufgewickelt werden soll, vorgeschoben wird. Man kann hierfür beliebige Antriebsvorrichtungen
verwenden, z. B. zwei Rollen, die jeweils unter einem Winkel zur Achse des Rohres
angeordnet sind und dem Rohr sowohl eine Drehbewegung als auch eine geradlinige
Vorwärtsbewegung erteilen.
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An einer Stelle vor dem Auftreffen des Rippenmaterials auf das Rohr,
wird auf das Rohr mittels der Vorrichtung 19 und dem Trichter 21 Klebstoff 20 aufgetragen.
Hierfür eignen sich zahlreiche bekannte Klebstoffe. Es kommt lediglich darauf an,
daß der Klebstoff wasserbeständig ist und seine Bindefähigkeit innerhalb eines ausreichend
großen Temperaturbereichs beibehält.
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Nach dem Aufbringen des Klebstoffs 20 auf das Rohr 2 wird das
vorgeformte Rippenmaterial 3 auf das Rohr aufgewickelt, während sich das Rohr dreht
und vorwärts bewegt. Das Rippenmaterial 3 wird so schnell zugeführt, daß auf den
Basisflansch 4 eine gleichmäßige Spannung wirkt, während das Rippenmaterial schraubenförmig
auf das Rohr 2 aufgewickelt wird. Die Spannung muß ausreichen, um den Klebstoff
20 zwischen den Basisflansch des Rippenmaterials und dem Rohr weitgehend herauszudrücken,
so daß für eine innige Verbindung zwischen dem Rippenmaterial und dem Rohr gesorgt
ist und ein einwandfreier Wärmeübergang gewährleistet ist. Dadurch. daß der Basisflansch
4 die doppelte Materialdicke besitzt, ist es möglich, während des Wickelvorgangs
eine erheblich größere Spannung aufzubringen und dadurch den Klebstoff auch nach
außen in die Spalten 22 zwischen den einander benachbarten Windungen des Basisflansches
4 hineinzudrücken (vgl. Fig. 5).
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Auf diese Weise wird die ganze Außenfläche des Rohres mit einem Schutzüberzug
versehen, der verhindert, daß Luft und Wasser mit dem Rohr in Berührung kommen und
zu Korrosionserscheinungen führen. Auch galvanische Korrosionen, die sich stets
i einstellen, wenn zwei verschiedenartige Metalle miteinander in Berührung stehen,
werden hierdurch vermieden.
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Ein weiterer Grund dafür, daß der Basisflansch in doppelter Stärke
ausgeführt wird, besteht darin, daß i man so verhindern kann, daß das Rippenmaterial,
welches von der Oberkante 5 des längeren Schenkels 3 bis zu dem Basisflansch 4 geschlitzt
worden ist, quer zu dem Basisflansch abreißt. Durch das Umbiegen wird nämlich die
Gefahr ausgeschaltet, daß das geschlitzte Rippenmaterial von den unteren Enden der
Schlitze aus einreißt, was zu einem vollständigen Abreißen des Materials quer zu
dem Basisflansch führen könnte. Dies ist von besonderer Bedeutung bei der Herstellung
der Rippenrohre nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem der Klebstoff 20 aus
dem Raum zwischen dem Basisflansch 4 und der Außenfläche des Rohres 2 herausgedrückt
wird und bei dem auf den Basisflansch eine größere Spannung aufgebracht wird.