CN107923720A - 使壳管式热交换器的管与所述壳管式热交换器的管板连接的方法 - Google Patents

使壳管式热交换器的管与所述壳管式热交换器的管板连接的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及使壳管式热交换器(200)的管(221)与所述壳管式热交换器(200)的管板(230)连接的方法，其中所述管(221)和所述管板(230)均由铝或铝合金制成，及其中借助激光焊接使所述管(221)与所述管板(230)以材料结合方式连接。

Description

使壳管式热交换器的管与所述壳管式热交换器的管板连接的 方法
技术领域
本发明涉及使壳管式热交换器的管与所述壳管式热交换器的管板连接的方法。
背景技术
壳管式热交换器被设计用于由第一流体向第二流体传递热量。为此目的，壳管式热交换器通常具有空心圆柱体，在其内部布置有许多根管。可以引导两种流体之一经过所述管，引导另一流体特别是围绕所述管经过空心圆柱体。所述管通过其末端沿着其圆周固定在所述壳管式热交换器的管板上。
在壳管式热交换器的生产方法的过程中，所述管通过其末端与所述管板例如以材料结合方式(stoffschlüssig)连接。取决于管的数量，在此产生最多几万个管-管板连接。
值得期望的是提供以不繁琐且成本有利的方式使壳管式热交换器的管与所述壳管式热交换器的管板以高质量彼此连接的可能性。
发明内容
根据本发明建议使壳管式热交换器的管与所述壳管式热交换器的管板连接的方法，其具有权利要求1的特征。有利的实施方案是从属权利要求以及以下说明的主题。
所述管及所属的管板根据本发明均由铝或铝合金制成。借助激光焊接使所述管与所述管板以材料结合方式连接。
待制造的壳管式热交换器在其制成的可投入使用的状态特别是具有许多根管，它们例如可以布置在空心圆柱体内部。所述壳管式热交换器在此情况下可以具有几百、几千或者甚至特别是几万根管。此外，在制成的壳管式热交换器中特别是设置有至少一个管板，其例如可以被构造成板。所述管在其末端沿着其圆周与一个或多个所述管板牢固地连接。所述管板特别是具有孔或洞，其直径基本上对应于所述管的直径。每根管尤其是通过其一个末端各自固定在这些孔之一上。
所述管可以在空心圆柱体中例如以直线延伸(所谓的直管式热交换器)。在此情况下，特别是设置有两个管板，它们可以布置在直管式热交换器的相对的末端。每根管通过其一个末端在此尤其是各自固定在这两个管板之一上。
所述管还可以在空心圆柱体中例如以U形方式延伸(所谓的U形管式热交换器)。此类U形管式热交换器可以具有仅一个管板。因为所述管在此情况下以U形方式弯曲，所以它们可以各自通过其两个末端固定在同一管板上。使用两个彼此相邻地布置的管板也是可以想象的。
所述管尤其是在空心圆柱体中盘绕(所谓的螺旋式盘绕的壳管式热交换器)，即所述管围绕所述壳管式热交换器的轴线，特别是围绕纵轴或主轴(Hauptausdehnungsachse)，特别是以圆形或螺旋形延伸。所述管以圆形或螺旋形围绕其布置的芯管尤其是可以设置在空心圆柱体内部。此类螺旋式盘绕的壳管式热交换器特别是具有两个布置在相对的末端的管板。
在生产所述壳管式热交换器的过程中，所述管布置在所述壳管式热交换器中，并以所期望的方式进行对准。于是，通过激光焊接使所述管与一个或多个所述管板以材料结合方式连接。在生产过程中，借助激光焊接以此方式特别是产生多达25 000个管-管板连接。在所有的管与所述管板以材料结合方式连接时，可以围绕所述管布置形成空心圆柱体的外壳。
激光焊接或激光束焊接在此特别是应当理解为根据DIN EN ISO4063作为方法52(“焊接及相关方法–方法及顺序编号的术语列表”)所定义的方法。在此情况下，通过激光束将能量引入待连接的工件中。
所述壳管式热交换器的管和管板由铝或铝合金制成。管和管板可以由相同的材料制成，或者也可以由不同的材料制成。尤其是所述管由第一铝合金制成，而所述管板由第二铝合金制成。
使用由铝或铝合金制成的管和管板，意味着所述壳管式热交换器远远轻于由其他材料，例如由钢材或特种钢或铬镍钢制成的传统的壳管式热交换器。因此由铝或铝合金制成的壳管式热交换器的重量要比相应的例如由铬镍钢制成的壳管式热交换器低出最多50％。
具体而言为了加工这些管和管板，或者一般而言为了加工由铝或铝合金制成的工件，应当注意的是，铝与氧迅速反应，由此形成氧化铝Al2O3。为了简便起见，下面将在生产过程中彼此以材料结合方式连接的由铝或铝合金制成的管和管板称作铝制工件。
因此在待加工的铝制工件上形成氧化物层，为了加工所述铝制工件特别是应当将氧化物层打破或者使氧化物层熔化。只有在该氧化物层已经被打破时，才可以充分地将能量引入所述铝制工件中。
所述氧化物层的熔点通常远远高于位于其下方的铝制工件。所述氧化物层的熔点例如可以为2000℃至2100℃，特别是基本上为2050℃。与此不同，取决于确切的组成，位于其下方的铝制工件的熔点可以为500℃至700℃，特别是550℃至660℃。
传统焊接方法，例如钨极惰性气体保护焊，仅在一定条件下适合于将铝制工件彼此焊接。就每位焊工而言，铝或铝合金的手工钨极惰性气体保护焊尤其是要求手灵巧度高以及许多的经验。通常几乎无法实现铝制工件的钨极惰性气体保护焊的自动化。特别是若所述壳管式热交换器的管在所述管板上彼此仅具有比较小的间距及由此特别是需要相邻焊缝的过焊则自动化的钨极惰性气体保护焊几乎无法实现在可复制性上可接受的结果。
通过激光焊接可以使铝制工件以特别有效、不繁琐且成本有利的方式彼此连接。通过激光焊接可以将在所述铝制工件上的氧化物层打破，及特别是使其完全熔化，因为在激光焊接的情况下通过激光束特别是能够实现比较高的能量浓度(Energiekonzentration)。可以特别有效地将能量引入位于下方的铝制工件中，并且可以如所期望地加工所述铝制工件。
对于铝制工件的材料结合式连接，激光焊接与其他焊接方法相比提供突出的优点。通过其他焊接方法，例如钨极惰性气体保护焊，通常不能使整个氧化物层熔化。来自管与管板之间的缝隙的氧化物层的未熔化的氧化物在此情况下留在焊缝金属(Schweiβgut)中，这称作氧化物夹杂物(Oxidfahnen)。此类氧化物夹杂物在焊缝金属中及在焊缝中表现为清晰的分离或缺陷。通过激光焊接则可以避免产生此类氧化物夹杂物，并且可以在管与管板之间产生不含此类缺陷的整洁干净的连接或焊缝。
另一方面，在不是由铝或铝合金制成、而是例如由钢材或特种钢或铬镍钢制成的其他壳管式热交换器的情况下，根本不会出现这些问题和缺点。因为在此类材料的情况下不形成氧化物层，所以在生产相应的壳管式热交换器时不必考虑这一因素。本发明提供能够有效地克服在生产由铝或由铝合金制成的壳管式热交换器时出现的特殊缺点和问题的可能性。
通过由铝或由铝合金制成的壳管式热交换器的管-管板连接的激光焊接，可以额外地实现进一步的优点。在激光焊接的情况下，可以实现相对非常高的焊接速率，由此可以特别迅速且有效地产生管-管板连接。此外，可以借助激光焊接以一致的质量产生可复制的管-管板连接。尤其是在激光焊接的情况下可以产生比较窄的焊缝，由此可以避免相邻管的焊缝相互影响。
比较厚的管板(特别是与所述管的壁厚度相比)特别是具有比较高的热导率，从而使引入的热量非常迅速地消散。另一方面，比较薄的或薄壁的管则针对性地具有比较低的热导率，从而使引入的热量无法迅速地消散。通过激光焊接可以充分地将能量引入所述管板中，从而虽然其热导率比较高仍然使其熔化。然而可以确保，所述管不会过早地回熔。
此外，所述铝制工件的激光焊接可以自动化的方式实施。如上进一步所述，尤其是几乎无法实现所述铝制工件的钨极惰性气体保护焊的自动化。激光焊接特别是利用精确对准的集中的激光束实施的，激光束能够以简单方式向前移动和重新定位，特别是通过针对性的自动化控制。可以简单地以自动化的方式实施激光焊接及由此产生管-管板连接。
有利地借助深度焊接(Tiefschweiβen)使所述管与所述管板以材料结合方式连接。深度焊接是一种特殊形式的激光焊接。在深度焊接的情况下，所产生的激光束的强度高于预定的极限值，优选高于1MW/cm2、2MW/cm2或4MW/cm2的极限值。通过激光束在焊接位置使铝材熔化。通过该比较高的强度，使一部分铝材蒸发，由此产生金属蒸汽。通过进一步吸收激光能，使该金属蒸汽至少部分地电离，由此产生激光诱发的等离子体或金属蒸汽等离子体。通过高强度的激光束还在熔体中形成焊接毛细管(Schweiβkapillare)，也称作“钥匙孔(keyhole)”。该焊接毛细管被构造成填充有金属蒸汽等离子体的空穴。因为金属蒸汽等离子体的吸收度特别是高于熔体的吸收度，所以激光束的能量可以几乎完全地引入所述铝制工件中。
根据本发明的一个优选的实施方案，在激光焊接之前，所述壳管式热交换器的管与所述壳管式热交换器的管板以形状配合的方式(formschlüssig)彼此连接。特别优选在此制成螺旋式盘绕的壳管式热交换器。在所述壳管式热交换器的生产方法的过程中，优选螺旋式盘绕的壳管式热交换器有利地实施以下步骤：
第一管板优选布置在所述壳管式热交换器的芯管的第一末端。第二管板优选布置在所述芯管的第二末端。所述管板特别是布置在所述芯管就其纵轴或主轴而言相对的末端。所述管板在此情况下可以在径向上例如经由支撑臂固定，或者也可以固定在端面。
所述管有利地均通过一个末端引入或穿入特别是插入第一管板中的孔中，并由此尤其是与第一管板以形状配合的方式连接。针对性地将每一根管各自引入一个孔中。然后，所述管优选围绕所述芯管盘绕。所述芯管特别是以可旋转的方式安装，例如经由滚动轴承套圈(Laufringe)安装在滚轮支座上。所述管特别是螺旋式围绕所述芯管盘绕，而所述芯管是旋转的。围绕所述芯管盘绕的管均通过其另一末端引入或穿入特别是插入第二管板中的孔中，并以此方式特别是与第二管板以形状配合的方式连接。这些步骤可以针对于每根管单独实施，或者也可以针对于针对性数量的管同时实施。
所述管尤其是在各自包含特定数量的管的不同层中围绕所述芯管盘绕。所述管围绕所述芯管盘绕的方式优选使得所述芯管承载所述管的负荷。借助间隔件在这些单层之间设置预定的间距。由此确保，在制成的可投入使用的壳管式热交换器中，流体可以围绕所述管流动通过其中。为了避免在最外层的管与所述壳管式热交换器的外壳之间的旁路侧流(Bypass)，例如可以围绕所述最外层的管包裹金属板外壳(Blechmantel)。
在所有的管以所期望的方式围绕所述芯管盘绕之后，所述管被固定在所述管板上。为此目的，借助激光焊接使所述管与第一管板及与第二管板以材料结合方式连接。在所有的管与所述管板以材料结合方式连接之后，可以围绕所述管布置特别是形成空心圆柱体的外壳。
所述管的壁厚度优选均为最大2.0mm。所述管板的厚度优选为100mm至200mm。所述管和/或所述管板优选均由铝、镁、锰、硅和/或铜的合金制成。在此情况下所述合金的镁含量可以优选为4.0％至4.9％，锰含量优选为0.4％至1.0％。
所述管和/或管板可以均例如由AlMgSiCu合金制成，例如由铝合金6061制成，其锰含量为最高0.15％、镁含量为0.8％至1.2％、硅含量为0.4％至0.8％，铜含量为0.15％至0.4％。
所述管和/或管板还可以均例如由AlMgSi合金制成，例如由铝合金6063制成，其锰含量为最高0.1％、镁含量为0.45％至0.9％、硅含量为0.2％至0.6％，铜含量为最高0.1％。
不言自明的是，所述管和所述管板在此情况下可以由相同合金制成，或者单根管和管板的合金也可以均不相同。所述管和/或所述管板的热导率有利地均为10W/mK至140W/mK。
优选在激光焊接的过程中产生激光束并借助光学元件进行聚焦。在此情况下可以有利地通过纤维激光器、二极管激光器或者还通过固体激光器，优选通过二氧化碳激光器或Nd:YAG激光器，产生所述激光束。所述光学元件形成聚焦光学系统，借此可以将所述激光束精确地聚焦在待焊接的位置。优选还可以利用双重聚焦(Doppeltfokus)实施激光焊接。在此情况下，例如通过在所述聚焦光学系统中的平面转向镜(Umlenkspiegel)，将所述激光束分成两条激光束。所述激光束优选可以借助光波导，特别是借助光学纤维线缆(玻璃纤维线缆，Glasfaserkabel)引导。可以有利地在激光焊接的过程中送入添加料(Zusatzwerkstoff)。优选还送入保护气体或工艺气体，优选氩气、氦气、氮气、二氧化碳、氧气或所述这些气体的混合物。但是也可以针对性地在不送入保护气体和/或添加料的情况下实施激光焊接。
由说明书和附图给出本发明的其他优点和实施方案。
不言自明的是，以上所述的以及以下仍待阐述的特征可以不仅以各自指定的组合方式使用，而且在不背离本发明范围的情况下以其他组合方式或者独立地使用。
依照实施例在附图中示意性地阐述本发明，下面参照附图详细地加以描述。
附图说明
图1示意性地显示借助根据本发明的方法的一个优选的实施方案制成的壳管式热交换器的一种优选的构造方式。
图2示意性地显示借助根据本发明的方法的一个优选的实施方案制成的壳管式热交换器的另一种优选的构造方式。
图3示意性地显示被设计用于实施根据本发明的方法的一个优选的实施方案的设备。
具体实施方式
在图1中示意性地显示了壳管式热交换器的一种优选的构造方式，用100表示。在图1a中，在剖视图中显示所述壳管式热交换器100。在本实施例中，所述壳管式热交换器100被构造成直管式热交换器。
所述直管式热交换器100具有外壳110，其具有流体入口111和流体出口112，以引导第一流体通过外壳110。
在外壳110中布置的管束120包括许多根以直线延伸的管121。可以引导第二流体通过所述管。单根管121与直管式热交换器100的管板130以材料结合方式连接。所述管板130例如可以固定在外壳110的末端。
所述直管式热交换器100、所述管121和所述管板130由铝合金，特别是由铝镁锰合金制成。例如，所述管120和所述管板130由EN AW-5083或EN AW-AlMg4.5Mn0.7材料制成，材料编号为DIN3.3547，即由锰的比例为0.4％至1.0％且镁的比例为4.0％至4.9％的铝合金制成。
在图1b中，在透视图中显示图1a的直管式热交换器100的一部分。在图1b中，仅显示了管束120和管板130。
在图1b中可以看出，所述管板130具有孔132。这些孔132布置在各个管板130的孔区域131中。所述管束120的每根管121在这些孔132之一处与各个管板130以材料结合方式连接。在生产方法的过程中，借助激光焊接产生这些材料结合式管-管板连接，如下面参照图3进一步详细地描述。
在图2中，示意性地显示壳管式热交换器的另一种优选的构造方式，用200表示。在图2a中，所述壳管式热交换器200与图2a相似地在剖视图中显示。所述壳管式热交换器200例如被构造成螺旋式盘绕的壳管式热交换器。
与图1的直管式热交换器100相似，所述螺旋式盘绕的壳管式热交换器200也包含具有流体入口211和流体出口212的外壳210，在其内部布置有包含许多根管221的管束220。
不同于所述直管式热交换器100，螺旋式盘绕的壳管式热交换器200的管210并不是以直线延伸，而是围绕芯管240螺旋式盘绕。所述螺旋式盘绕的壳管式热交换器200的管板230沿着其圆周具有包含孔232的孔区域231，所述管束220的每根管221在这些孔232之一处与各个管板230以材料结合方式连接。
所述管221和管板230还优选由铝合金制成，例如由EN AW-5083或EN AW-AlMg4.5Mn0.7材料制成。
在图2b中，在透视图中显示图2a的螺旋式盘绕的壳管式热交换器200的一部分(管束220、管板230和芯管240)。在图2b中可以看出，所述管板230例如经由支撑臂233固定在所述芯管240上。
在图3中示意性地显示了被设计用于实施根据本发明的方法的一个优选的实施方案的设备。
在图3中示例性地显示了在生产方法的过程中如何利用所述设备使根据图2的螺旋式盘绕的壳管式热交换器200的管221与管板230之一以材料结合方式连接。
所述设备包括激光焊接单元300。激光器310，例如Nd:YAG激光器，产生激光束311，其可以借助包括针对性的光学元件的聚焦光学系统320聚焦在所述管板230上的待焊接的位置。所述聚焦光学系统320例如可以具有凹面镜，其将所述激光束311聚焦至待焊接的位置。
控制单元330被设计用于激活激光器310和聚焦光学系统320，特别是用于使所述激光束311向前移动及在所述管板上重新定位和重新聚焦。通过所述控制单元330实现了激光焊接的自动化控制，并且允许自动化产生管-管板连接。
不言自明的是，也可以将所述设备以相似的方式用于在根据图1的直管式热交换器100的管121与管板130之间产生材料结合式连接，或者一般地用于在某些其他壳管式热交换器的管与管板之间产生材料结合式连接。
附图标记
100 壳管式热交换器，直管式热交换器
110 外壳
111 流体入口
112 流体出口
120 管束
121 管
130 管板
131 孔区域
132 孔
200 壳管式热交换器，螺旋式盘绕的壳管式热交换器
210 外壳
211 流体入口
212 流体出口
220 管束
221 管
230 管板
231 孔区域
232 孔
233 支撑臂
240 芯管
300 激光焊接单元
310 激光器，Nd:YAG激光器
311 激光束
320 聚焦光学系统
330 控制单元

Claims (10)

1.使壳管式热交换器(100，200)的管(121，221)与所述壳管式热交换器(100，200)的管板(130，230)连接的方法，
-其中所述管(121，221)和所述管板(130，230)均由铝或铝合金制成，及
-其中借助激光焊接使所述管(121，221)与所述管板(130，230)以材料结合方式连接，及
-其中所产生的激光束的强度高于1MW/cm2。
2.根据权利要求1的方法，其中所产生的激光束的强度高于2MW/cm2，特别是高于4MW/cm2。
3.根据权利要求1或2的方法，其中在所述激光焊接之前，所述壳管式热交换器(100，200)的管(121，221)与所述壳管式热交换器(100，200)的管板(130，230)以形状配合的方式连接。
4.根据权利要求3的方法，其中
-第一管板(230)布置在所述壳管式热交换器(200)的芯管(240)的第一末端，第二管板(230)布置在所述芯管(240)的第二末端，
-所述管(221)均通过其一个末端引入所述第一管板(230)中的孔(232)中，
-所述管(221)围绕所述芯管(240)盘绕，
-围绕所述芯管(240)盘绕的管(221)均通过其另一末端引入所述第二管板(230)中的孔(232)中，随后
-借助激光焊接使所述管(221)与所述第一管板(230)及与所述第二管板(230)以材料结合方式连接。
5.根据前述权利要求之一的方法，其中所述管(121，222)的壁厚度均为最大2.0mm，所述管板(130，230)的厚度为100mm至200mm。
6.根据前述权利要求之一的方法，其中所述管(121，221)和/或所述管板(130，230)的热导率均为10W/mK至140W/mK。
7.根据前述权利要求之一的方法，其中所述管(121，221)和/或所述管板(130，230)均由铝、镁、锰、硅和/或铜的合金制成。
8.根据前述权利要求之一的方法，其中在所述激光焊接的过程中产生激光束(311)并借助光学元件(320)进行聚焦。
9.根据权利要求8的方法，其中借助光波导，特别是借助光学纤维线缆，引导所述激光束(311)。
10.根据权利要求8或9的方法，其中通过纤维激光器、二极管激光器或固体激光器(310)，特别是通过二氧化碳激光器或Nd:YAG激光器，产生所述激光束(311)。
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