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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers,
der mindestens einen Wärmetauscherabschnitt
aufweist, wobei bei dem Verfahren mindestens ein Wärmetauscherabschnitt
in einem ersten Schritt, der als Fertigungsschritt ausgebildet ist,
mit Anwärm-
und Abkühlpassagen
versehen und in einem zweiten Schritt einer Probe unterworfen wird,
bei der er Belastungen unterworfen wird, die vorgegebenen Anforderungen entsprechen,
in einem dritten Schritt, der als Auswertungsschritt ausgebildet
ist, das Ergebnis der Probe ausgewertet wird, falls das Ergebnis
der Probe negativ ist, der Wärmetauscherabschnitt
in einem vierten Schritt einem weiteren Fertigungsschritt unterworfen und
anschließend
erneut dem zweiten Schritt zugeführt
wird, wobei der zweite bis dritte und gegebenenfalls der vierte
Schritt so lange wiederholt werden, bis das Ergebnis der Probe positiv
ist.
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Bei
dem "Wärmetauscher" kann es sich um jede
Art von Apparat zum indirekten Wärmeaustausch
handeln, zum Beispiel um einen Röhrenwärmetauscher,
insbesondere einem Geradrohr-Tauscher, einem Wärmetauscher mit u-förmigen Rohren oder
einen gewickelten Wärmetauscher
mit schraubenförmige
gewickelten Rohren, oder auch um einen Plattenwärmetauscher, etwa einen gelöteten Aluminium-Plattenwärmetauscher.
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Unter "Wärmetauscherabschnitt" ist hier jeder Teil
eines Wärmetauschers
zu verstehen, der insoweit vorfertigbar ist, als er bereits Anwärm- und
Abkühlpassagen
aufweist. Die Begriffe "Anwärmpassagen" und "Abkühlpassagen" beziehen sich auf
den späteren
regulären
Betrieb, auf den der Wärmetauscher
ausgelegt ist. Im regulären
Betrieb nimmt ein erstes Fluid, das durch die Anwärmpassagen
strömt, Wärme auf,
ein zweites Fluid, welches durch die Abkühlpassagen fließt, gibt
Wärme ab.
Die Erfindung bezieht sich selbstverständlich auch auf Kondensatoren
und Verdampfer. Im Fall eines Verdampfers werden die "Anwärmpassagen" durch Verdampfungspassagen,
im Fall eines Kondensators die "Abkühlpassagen" durch Verflüssigungspassagen
gebildet.
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Die
Gesamtheit der Anwärm-
oder Abkühlpassagen
kann bei einem Röhrenwärmetauscher auch
durch den zusammenhängenden
Raum außerhalb
der Röhren
gebildet sein. Der Wärmetauscherabschnitt
kann, muss aber nicht, während
des zweiten Schritts bereits Sammler zur Ab- und Zufuhr von Fluidströmen aus
den und in die Passagen aufweisen. Solche Sammler können beispielsweise
auch provisorisch angebracht sein. Gegebenenfalls wird der Wärmetauscherabschnitt
im Anschluss an die oben beschriebenen Verfahrensschritte weiteren Fertigungsschritten
unterworfen, insbesondere einer Endfertigung, bei der er unter Umständen mit
weiteren Wärmetauscherabschnitten
verbunden wird.
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Umgekehrt
umfasst der Begriff "Wärmetauscherabschnitt" ebenso einen kompletten
Wärmetauscher,
dessen Fertigung bei positivem Testergebnis beendet ist.
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Ein
Verfahren der eingangs genannten Art ist aus dem ALPEMA-Standard
2000 (The Standards Of The Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association, Second
Edition, 2000), bekannt. In dem zweiten Schritt, der Probe, wird
ein Drucktest durchgeführt,
in dem dritten Schritt, dem Auswertungsschritt, wird das Resultat
dieses Tests mittels eines Lecktests (Dichtigkeitstests) ausgewertet.
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Solche
Tests, bei denen ein vorgefertigter Wärmetauscherabschnitt, der auch
durch den gesamten Wärmetauscher
gebildet sein kann, zum Beispiel einer vorbestimmten Druckbelastung
unterworfen wird, erhöhen
die betriebliche Zuverlässigkeit
des Endprodukts. Mögliche
Ungenauigkeiten bei der Fertigung werden vor Inbetriebnahme entdeckt
und in einem Nachfertigungsschritt beseitigt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fertigungsverfahren anzugeben,
das die Zuverlässigkeit
eines Wärmetauschers
weiter erhöht.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass der Wärmetauscherabschnitt
in dem zweiten Schritt einer Probe auf thermische Festigkeit unterworfen wird.
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Solche
Proben auf thermische Festigkeit sind auch in der Wärmetauscherfertigung
an sich bekannt, allerdings ausschließlich als ein Schritt der Typprüfung eines
bestimmten Wärmetauschertyps, nicht
als Schritt im Herstellungsverfahren eines konkreten, für die Endanwendung
bestimmten Wärmetauschers.
Insbesondere wird bei einer Typprüfung im Fall eines negativen
Testergebnisses nicht der getestete Wärmetauscherabschnitt einem
weiteren Fertigungsschritt unterzogen, sondern er wird ausgesondert
und die Auslegung des Wärmetauschertyps
wird verändert.
Ansonsten können
bekannte Verfahren zur Probe auf thermische Festigkeit und deren
Auswertungsmethoden auch im zweiten beziehungsweise dritten Schritt
des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens
eingesetzt werden.
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Für verschiedene
Apparate (zum Beispiel fest verschweißte TEMA-Tauscher, Aluminium-Plattenwärmetauscher)
gelten Regeln für
die maximal möglichen
thermischen Belastungen, denen der Apparat ausgesetzt werden darf.
Im ALPEMA-Standard 2000
werden beispielsweise maximal zulässige Anwärm- und Abkühlraten für Aluminium-Plattenwärmetauscher
angegeben (Empfehlung von 2 K/min). Solche Maximalwerte stammen
in der Regel aus den oben erwähnten
Typprüfungen
und/oder anderen praktischen Erfahrungen.
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Bei
manchen Prozessen, zum Beispiel LNG-Prozessen wie der Erdgasverflüssigung
oder -verdampfung, ist es nur mit sehr großem apparativen Aufwand möglich, die
empfohlenen Grenzwerte für
die thermische Belastung von Wärmetauschern einzuhalten.
Umgekehrt ist aus Messungen an Anlagen und im Laboratorium bekannt,
dass manche Apparate wesentlich höhere Temperaturbelastungen aushalten
können.
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Jüngst wurden
von der Anmelderin Simulationsverfahren entwickelt (deutsche Patentanmeldung 102005059993
und dazu korrespondierende Anmeldungen), die es mittels strukturmechanischer
Betrachtungen erlauben, die zu erwartenden thermischen Spannungen
abzuschätzen
und eine Aussage über
eine mögliche
Schadenswahrscheinlichkeit im Rahmen einer bestimmten Wärmetauscherkonstruktion
zu treffen. Die real auftretenden Spannungen und ihre Auswirkungen
auf die mechanische Stabilität
eines Wärmetauschers
können
dennoch auf Grund von Vorspannungen und anderen Fertigungseinflüssen von
solchen numerischen Simulationen abweichen. Grundsätzlich wäre es natürlich möglich, die
Grenzwerte sehr konservativ anzusetzen oder eine Restwahrscheinlichkeit
für einen
mechanischen Defekt hinzunehmen. Im Rahmen der Erfindung hat sich
jedoch herausgestellt, dass dieses entweder fertigungstechnisch
sehr teuer oder betriebstechnisch unzufriedenstellend wäre.
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Die
Erfindung bleibt daher weder bei der bekannten Typprüfung noch
bei dem jüngst
entwickelten Simulationsverfahren stehen, sondern löst dieses Problem
durch eine eigene Probe, in welcher der Apparat tatsächlich einer
definierten thermischen Belastung ausgesetzt wird. Diese Probe wird
in der Regel zusätzlich
zu der bekannten Druckprobe durchgeführt, ist aber grundsätzlich auch
selbstständig
ausführbar.
Dadurch wird für
jeden Wärmetauscherabschnitt
nachgewiesen, dass seine thermische Festigkeit den vorgegebenen
Anforderungen entspricht. Ist dies bei einem einzelnen Wärmetauscherabschnitt nicht
der Fall, kann durch einen weiteren Fertigungsschritt die thermische
Festigkeit entsprechend erhöht werden.
Wird ein solcher weiterer Fertigungsschritt durchgeführt, muss
anschließend
auch eine erneute Probe stattfinden, um den Erfolg dieser Maßnahme nachzuweisen
oder die Notwendigkeit eines erneuten weiteren Fertigungsschritts
festzustellen.
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Nach
einer erfolgreichen Probe kann die Fertigung des Wärmetauschers
beendet sein. Wenn der Wärmetauscher
allerdings aus mehr als einem Wärmetauscherabschnitt
besteht oder der Wärmetauscherabschnitt
in dem ersten Schritt nicht vollständig fertig gestellt wurde,
wird er nach der erfolgreichen Probe einem Endfertigungsschritt
zugeführt.
In diesem Endfertigungsschritt können
beispielsweise mehrere Wärmetauscherabschnitte
zusammengefügt
und/oder weitere Bauteile angebracht werden.
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Bei
der Erfindung können
sowohl statische als auch dynamische thermische Belastungsgrenzen überprüft werden.
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Vorzugsweise
wird in dem dritten Schritt ein Lecktest durchgeführt (siehe
zum Beispiel ALPEMA-Standard 2000, Abschnitt 5.6.2). Damit wird überprüft, ob die
Probe auf thermische Festigkeit erfolgreich war. Zeigen sich Undichtigkeiten,
ist das Ergebnis der Probe negativ, das heißt ein weiterer Fertigungsschritt
(vierter Schritt) schließt
sich an.
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Es
ist günstig,
die Probe auf thermische Festigkeit so durchzuführen, dass in dem zweiten Schritt der
Wärmetauscherabschnitt
zunächst
auf eine definierte erste Temperatur gebracht wird und anschließend ein
Teil der Passagen mit einem definierten Mengenstrom eines Testmediums
beaufschlagt wird, das eine zweite Temperatur aufweist, die ungleich der
ersten Temperatur ist, wobei die erste und die zweite Temperatur
und der Mengenstrom in Abhängigkeit
von den vorgegebenen Anforderungen gewählt werden. Die Differenz zwischen
der ersten und der zweiten Temperatur beträgt beispielsweise mindestens
10°C, vorzugsweise
mindestens 30°C.
Der zweite Schritt kann beispielsweise mit einem drucklosen Medium
durchgeführt
werden.
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Alternativ
wird in dem zweiten Schritt gleichzeitig eine Druckprobe durchgeführt. Die
kann dadurch realisiert werden, dass das Testmedium unter einem
erhöhten
Druck eingeleitet wird und/oder nicht mit dem Testmedium beaufschlagte
Passagen des Wärmetauscherabschnitts
mit einem oder mehreren anderen Testfluiden gefüllt werden, die sich unter
erhöhtem
Druck befinden. Auf diese Weise können thermische und hydraulische
Belastungen gleichzeitig getestet werden.
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Die
Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden
anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Der
Wärmetauscherabschnitt
wird in dem Beispiel durch einen kompletten Aluminium-Plattenwärmetauscher-Block 1 gebildet,
der im Inneren Anwärmpassagen
(Verdampfungspassagen) und Abkühlpassagen
(Verflüssigungspassagen)
aufweist. der Plattenwärmetauscherblock
des Ausführungsbeispiels
ist als Zweistromtauscher ausgebildet, das heißt er weist jeweils nur eine
Gruppe von Anwärm- und
Abkühlpassagen
auf. Die beiden seitlichen Header 3, 2 bilden
den Ein- beziehungsweise
Austritt der Abkühlpassagen.
Der obere und der untere Header 4, 5 stellen Ein-
beziehungsweise Austritt der Anwärmpassagen
dar.
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Bei
der Herstellung des Wärmetauschers wird
zunächst
der Kern hergestellt, beispielsweise aus einem Plattenstapel mit
seitlichen Abdichtungen (Sidebars) und zwischen den Platten angeordnetem gewelltem
Blech (Fins). Diese Bauteile werden üblicherweise miteinander verlötet. Anschließend werden
die Header 2, 3, 4, 5 angeschweißt. Damit
ist der "erste Schritt" abgeschlossen.
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In
dem "zweiten Schritt" wird der so hergestellte
Wärmetauscher(abschnitt)
in dem Beispiel gleichzeitig einer Druckprobe und einer Probe auf thermische
Festigkeit unterworfen.
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Zunächst wird
der zu testende Raum (das sind hier die die Anwärmpassagen) über Leitung 9 und
den unteren Header 4 mit Wasser unter dem jeweiligen Verfahrensdruck
gefüllt,
unter dem sie im späteren
Betrieb stehen sollen. In dem Beispiel beträgt dieser Verfahrensdruck 2
bar (absolut). Wenn diese Räume
gefüllt
sind, werden die Ventile 10 und 13 geschlossen.
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Anschließend wird
zunächst über eine
Leitung 6 Luft einer definierten ersten Temperatur, in dem
Beispiel 80°C, über den
Header 3 in die Abkühlpassagen
eingeleitet und über
den Header 2 wieder abgezogen. Wenn die Temperatur in Leitung 7 nicht mehr
steigt, ist damit der gesamte Wärmetauscherabschnitt 1 auf
diese erste Temperatur gebracht worden. Über ein Thermoelement 16 und/oder
weitere Thermoelemente am Wärmetauscher
wird überwacht,
dass der gesamte Wärmetauscherblock 1 auf die
erste Temperatur gebracht worden ist. Dann wird das Ventil 8 geschlossen,
um den Raum auf den gewünschten
Testdruck zu bringen. Ist der Testdruck erreicht (Druckmessung 15)
wird das Ventil 14 geschlossen.
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Danach
wird als Testmedium Wasserdampf mit einem Druck von ca. 2 bar (absolut)
und einer Temperatur von 120°C über Leitung 11 und
den oberen Header 5 eingeleitet, sodass im Apparat lokal Temperaturdifferenzen
von ca. 40 K auftreten. Der Mengenstrom des Testmediums wird über das
Ventil 10 so eingestellt, dass lokale Temperaturänderungen des
Metalls von ca. 10 K/min auftreten. Damit ist der "zweite Schritt" abgeschlossen.
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Als "dritter Schritt" wird ein üblicher
Lecktest, beispielsweise gemäß ALPEMA-Standard 2000, durchgeführt. Zeigt
sich dabei eine Undichtigkeit, ist das Ergebnis der Probe im zweiten
Schritt negativ. In diesem Fall wird der Wärmetauscherabschnitt einem vierten
Schritt zugeführt,
indem die Undichtigkeit beseitigt und die entsprechende Schwachstelle
verstärkt
wird. Anschließend
werden der zweite und der dritte Schritt erneut durchgeführt.
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Sobald
sich im dritten Schritt keine Undichtigkeiten mehr zeigen, ist die
Herstellung des Wärmetauscherabschnitts
abgeschlossen. In seinem Inneren werden jetzt keine Veränderungen
mehr vorgenommen. Er wird gegebenenfalls noch auf seiner Außenseite
mit weiteren Wärmetauscherblöcken verbunden,
die zuvor auf dieselbe Weise hergestellt und mit positivem Ergebnis
getestet wurden.
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
sichergestellt, dass der entsprechende Apparat thermische Belastungen,
die unterhalb der im zweiten Schritt durchgeführten Belastungen liegen, ohne mechanische
Schäden
aushält.