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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Wärmetauscherblöcken eines Wärmetauschers sowie einen Wärmetauscher, wobei ein Gesamtwärmetauscherblock des Wärmetauschers wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke umfasst.
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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher, wie sie in einer Vielzahl von Anlagen bei unterschiedlichsten Drücken und Temperaturen eingesetzt werden. Entsprechende Wärmetauscher finden beispielsweise Anwendung bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei der Verflüssigung von Erdgas oder in Anlagen zur Herstellung von Ethylen.
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Derartige Wärmetauscher können beispielsweise als (hart-) gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium (Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchangers, PFHE; Bezeichnungen gemäß der deutschen und englischen Ausgabe der ISO 15547-2:3005) ausgebildet sein. Es versteht sich, dass „Aluminium“ dabei auch eine Aluminiumlegierung bezeichnen kann. Gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium sind in 2 der erwähnten ISO 15547-2:3005 sowie auf Seite 5 der Veröffentlichung „The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association“ der ALPEMA, 3. Auflage 2010, gezeigt und beschrieben. Eine Abbildung, die im Wesentlichen den dortigen Abbildungen entspricht, ist in der beigefügten 1 als Stand der Technik dargestellt und wird im Folgenden vorab erläutert.
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Der in 1 teilweise eröffnet dargestellte Plattenwärmetauscher 100 gemäß dem Stand der Technik dient dem Wärmeaustausch von im dargestellten Beispiel fünf verschiedenen Prozessmedien A bis E.
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Zum Wärmeaustausch zwischen den Prozessmedien A bis E umfasst der Plattenwärmetauscher 100 dabei eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Trennblechen 4 (in den zuvor genannten Veröffentlichungen, auf die sich auch die nachfolgenden Angaben in Klammern beziehen, im Englischen als Parting Sheets bezeichnet), zwischen denen durch Strukturbleche mit Lamellen 3 (Fins) definierte Wärmeaustauschpassagen 1 für jeweils eines der Prozessmedien A bis E, die dadurch in Wärmeaustausch miteinander treten können, ausgebildet sind.
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Die Strukturbleche mit den Lamellen 3 sind typischerweise gefaltet bzw. gewellt ausgebildet, wobei durch die Faltungen bzw. Wellen jeweils Strömungskanäle gebildet werden, wie auch in 1 der ISO 15547-2:3005 gezeigt. Die Bereitstellung der Strukturbleche mit Lamellen 3 bietet im Vergleich zu Plattenwärmetauschern ohne Lamellen den Vorteil einer verbesserten Wärmeübertragung, einer gezielteren Fluidführung und einer Erhöhung der mechanischen (Zug-)Festigkeit. In den Wärmeaustauschpassagen 1 strömen die Prozessmedien A bis E insbesondere durch die Trennbleche 4 getrennt voneinander, können ggf. aber im Fall von perforierten Strukturblechen mit Lamellen 3 durch letztere hindurchtreten.
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Die einzelnen Passagen 1 bzw. die Strukturbleche mit den Lamellen 3 sind seitlich jeweils durch sogenannte Sidebars 8 umgeben, die jedoch Einspeise- und Entnahmeöffnungen 9 freilassen. Die Sidebars 8 halten die Trennbleche 4 auf Abstand und sorgen für eine mechanische Verstärkung des Druckraumes. Zum Abschluss an zumindest zwei Seiten dienen insbesondere verstärkt ausgebildete Deckbleche 5 (Cap Sheets), die parallel zu den Trennblechen 4 angeordnet sind.
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Mittels sogenannter Header 7, die mit Stutzen 6 (Nozzles) versehen sind, werden die Prozessmedien A bis E über Einspeise- und Entnahmeöffnungen 9 zu- und abgeführt. Im Eingangsbereich der Passagen 1 befinden sich weitere Strukturbleche mit sogenannten Verteilerlamellen 2 (Distributor Fins), die für eine gleichmäßige Verteilung auf die gesamte Breite der Passagen 1 sorgen. In Strömungsrichtung gesehen am Ende der Passage 1 können sich weitere Strukturbleche mit Verteilerlamellen 2 befinden, die die Prozessmedien A bis E aus den Passagen 1 in die Header 7 führen, wo sie gesammelt und über die entsprechenden Stutzen 6 abgezogen werden.
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Durch die Strukturbleche mit den Lamellen 3, die weiteren Strukturbleche mit den Verteilerlamellen 2, die Sidebars 8, die Trennbleche 4 und die Deckbleche 5 wird insgesamt ein hier quaderförmiger Wärmetauscherblock 20 gebildet, wobei unter einem „Wärmetauscherblock“ hier die genannten Elemente ohne die Header 7 und Stutzen 6 in einem miteinander verbundenem Zustand verstanden werden sollen. Wie in 1 nicht veranschaulicht, kann der Plattenwärmetauscher 100 insbesondere aus Fertigungsgründen aus mehreren entsprechenden quaderförmigen Wärmetauscherblöcken 20 ausgebildet sein, wobei diese einzelnen Wärmetauscherblöcke 20 zu einem gemeinsamen Gesamtwärmetauscherblock miteinander verbunden sind.
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Entsprechende Plattenwärmetauscher 100 werden aus Aluminium hartgelötet. Die einzelnen Passagen 1, umfassend die Strukturbleche mit den Lamellen 3, die weiteren Strukturbleche mit den Verteilerlamellen 2, die Deckbleche 5 und die Sidebars 8 werden dabei, jeweils mit Lot versehen, aufeinander gestapelt bzw. entsprechend angeordnet und in einem Ofen erwärmt. Auf den in dieser Weise hergestellten Wärmetauscherblock 20 werden die Header 7 und die Stutzen 6 aufgeschweißt. Die Header 7 werden unter Verwendung von halbzylindrischen Strangpressprofilen hergestellt, die auf die erforderliche Länge gebracht und dann auf den Wärmetauscherblock 20 aufgeschweißt werden.
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Durch die Größe und Geometrie des Lötofens wird in einem derartigen Herstellungsverfahren auch die maximale Größe des Wärmetauscherblocks vorgegeben. Oft verlangen jedoch Prozesse eine größere Wärmeaustauschfläche und somit größere Wärmetauscherblöcke als in einem derartigen Ofen gefertigt werden können. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird auf Seite 6 unter 1.2.3 des vorgenannten ALPEMA-Veröffentlichung vorschlagen, zwei oder mehrere Wärmetauscherblöcke durch Schweißen miteinander zu verbinden, um damit einen zusammengesetzten Gesamtwärmetauscherblock mit erhöhter Stapelhöhe zu erhalten.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, das Verbinden von einzelnen Wärmetauscherblöcken zu einem Gesamtwärmetauscherblock zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verbinden von Wärmetauscherblöcken eines Wärmetauschers sowie einen Wärmetauscher mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor.
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Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
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Ein Gesamtwärmetauscherblock bzw. Gesamtblock des Wärmetauschers umfasst wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke. Diese einzelnen Wärmetauscherblöcke sind insbesondere als Teilblöcke bzw. Module zu verstehen, welche zu dem Gesamtwärmetauscherblock zusammengesetzt und miteinander verbunden werden. Insbesondere umfasst jeder der Wärmetauscherblöcke jeweils eine Vielzahl stapelförmig angeordneter Trennbleche und Lamellen. Jeder der Wärmetauscherblöcke umfasst insbesondere eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen für verschiedene Prozessmedien, die dadurch in Wärmeaustausch miteinander treten können. Es versteht sich, dass ein Wärmetauscher im Allgemeinen insbesondere auch nur einen derartigen Wärmetauscherblock umfassen kann. Im vorliegenden Fall sei jedoch eine Vielzahl von Wärmetauscherblöcken zu einem leistungsfähigeren, größeren Gesamtblock zusammengesetzt.
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Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens werden die wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke jeweils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens miteinander verbunden. Additive Fertigung ist ein Herstellungsverfahren, bei dem ein dreidimensionales Objekt bzw. eine dreidimensionale Struktur durch konsekutives Hinzufügen eines Werkstoffs Schicht für Schicht erzeugt wird. Dabei wird nacheinander eine neue Werkstoffschicht aufgetragen, verfestigt und fest mit den darunter liegenden Schichten verbunden, z.B. mit Hilfe eines Lasers, Elektronenstrahls oder Lichtbogens. Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich durch das Verbinden von Wärmetauscherblöcken mittels eines derartigen additiven Fertigungsverfahrens erhebliche Vorteile gegenüber dem Verbinden mittels herkömmlicher Fertigungsverfahren wie Schweißen ergeben.
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Auf herkömmliche Weise werden Wärmetauscherblöcke oftmals miteinander verbunden, indem zwischen die zu verbindenden Wärmetauscherblöcke zusätzliche Randleisten bzw. Sidebars eingesetzt werden und die Wärmetauscherblöcke mit diesen Sidebars jeweils verschweißt werden. Auf derartige Weise werden die Wärmetauscherblöcke zumeist nur an ihren Außenrändern miteinander bzw. mit den jeweiligen zusätzlichen Sidebars verbunden. Zwischen den Wärmetauscherblöcken bleibt somit jeweils oftmals ein Spalt bzw. Luftspalt frei. Aus mechanischer Sicht stellt eine derartige herkömmliche Verbindung, welche nur an Außenrändern von Wärmetauscherblöcken besteht und häufig Unterbrechungen aufweist, eine geometrische Unstetigkeit dar. Aus thermodynamischer Sicht stellt ein derartiger Luftspalt zwischen den Wärmetauscherblöcken eine Isolationsschicht dar. Derartige herkömmliche Verbindungen können oftmals zu Spannungskonzentrationen und zu Schäden führen. Durch den Temperaturgang eines Wärmeaustauschers werden thermische Verformungen aufgeprägt. Ferner können derartige herkömmliche Verbindungen zwischen Wärmetauscherblöcken oftmals eine Verformungsbehinderung und eine thermische Barriere zwischen benachbarten Wärmetauscherblöcken darstellen. Dadurch können mechanische Zwängungsspannungen entstehen, die durch die Unstetigkeit an der Verbindung der Wärmetauscherblöcke noch verstärkt werden können.
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Durch die Verbindung von Wärmetauscherblöcken mittels additiver Fertigungsverfahren kann insbesondere vermieden werden, dass Wärmetauscherblöcke nur an ihren Außenrändern bzw. über zusätzliche Elemente wie zusätzliche Sidebars miteinander verbunden werden und dass ferner ein Spalt zwischen verbundeneren Wärmetauscherblöcken frei bleibt. Im Rahmen der additiven Fertigung wird insbesondere ein Werkstoff zwischen die zu verbindenden Wärmetauscherblöcke eingebracht und stoffschlüssig mit diesen verbunden. Somit kann insbesondere eine Verbindungsschicht zwischen den Wärmetauscherblöcken erzeugt werden. Form und Eigenschaften dieser Verbindungsschicht können mittels des additiven Fertigungsverfahrens individuell gewählt und flexibel angepasst werden. Die Wärmetauscherblöcke können auf diese Weise insbesondere groß- bzw. vollflächig und gleichmäßig miteinander verbunden werden. Unstetigkeit und Unregelmäßigkeiten zwischen den verbundenen Wärmetauscherblöcken können vermieden werden. Insbesondere kann ein thermisch wärmeleitender Kontakt zwischen den verbundenen Wärmetauscherblöcken erreicht werden. Temperaturunterschiede können abgebaut werden. Ferner kann insbesondere eine mechanische Verbindung zwischen den Wärmetauscherblöcken erreicht werden. Spannungskonzentrationen können entschärft bzw. abgebaut werden.
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Durch das vorliegende Verfahren kann somit eine Verbindung von Wärmtauscherblöcken mit verbesserten Eigenschaften erreicht werden, wodurch insbesondere der Betrieb des Wärmetauschers verbessert werden kann. Betriebssicherheit, Ausfallsicherheit und Lebensdauer des Wärmetauschers können erhöht werden.
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Das vorliegende Verfahren eignet sich besonders zweckmäßigerweise zur Herstellung von Wärmetauschern. Insbesondere können im Zuge eines Herstellungsverfahrens eines Wärmetauschers zunächst einzelne Wärmetauscherblöcke hergestellt werden, insbesondere mittels eines Löt- bzw. Hartlötverfahrens. Beispielsweise kann zu diesem Zweck eine Vielzahl von Trennblechen und Lamellen und gegebenenfalls weiterer Elemente stapelförmig angeordnet und in einem Ofen bzw. Lötofen erwärmt werden. Die einzelnen Wärmetauscherblöcke können dann mittels des additiven Fertigungsverfahrens zu dem Gesamtwärmetauscherblock verbunden werden.
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Ferner eignet sich das vorliegende Verfahren zweckmäßigerweise zur Verbesserung der Verbindung von Wärmetauscherblöcken bereits hergestellter und beispielsweise bereits im Betrieb befindlicher Wärmetauscher. Beispielsweise können einzelne Wärmetauscherblöcke in einem derartigen Wärmetauscher bereits auf obig erläuterte herkömmliche Weise miteinander verbunden sein. Im Rahmen des vorliegenden Verfahrens kann im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens ein Werkstoff in einen entsprechenden Spalt zwischen die bereits miteinander verbundenen Wärmetauscherblöcke eingebracht und verfestigt werden. Insbesondere können somit Verbindungseigenschaften zwischen den Wärmetauscherblöcken sowohl thermisch als auch mechanisch verbessert werden.
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Vorteilhafterweise wird im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens ein Werkstoff zwischen die wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke schichtweise ein- bzw. aufgebracht und mittels eines Laserstrahls und/oder mittels eines Elektronenstrahls beaufschlagt. Besonders bevorzugt wird der Werkstoff in Pulverform eingebracht. Alternativ oder zusätzlich kann der Werkstoff insbesondere auch in Form von Drähten oder Bändern eingebracht werden. Durch den Laser- bzw. Elektronenstrahl wird der eingebrachte Werkstoff zweckmäßigerweise verfestigt und fest mit darunter liegenden Schichten verbunden. Beispielsweise kann ein entsprechender Laserstrahl mit Hilfe eines Pulslasers erzeugt werden.
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Zweckmäßigerweise lässt sich der Laser- bzw. Elektronenstrahl sehr genau positionieren, ausrichten und führen, beispielsweise mittels Umlenkspiegeln, so dass eine exakte, punktgenaue Energie- bzw. Wärmeeinbringung erreicht werden kann. Beispielsweise kann somit auch in einer großen Spalttiefe zwischen den zu verbindenden Wärmetauscherblöcken eine örtlich begrenzte Aufschmelzung des Werkstoffs und beispielsweise auch eines Deckbleches der Wärmetauscherblöcke erreicht werden. Ferner können beispielsweise durch den Einsatz von Spiegeln auch schlecht zugängliche Stellen, wie etwa in Ecken, erreicht werden. Zweckmäßigerweise kann durch Verwendung des Laser- bzw. Elektronenstrahls die Wärmeeinbringung auf ein Mindestmaß reduziert werden, das zum Schmelzen des Werkstoffs und damit zur Herstellung der Verbindung der Wärmetauscherblöcke erforderlich ist. Somit kann eine Gefahr, eine bereits bestehende Lötverbindung wieder aufzuschmelzen, reduziert werden.
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Der Werkstoff kann beispielsweise in Pulverform in einen Spalt zwischen die zu verbindenden Wärmetauscherblöcke schichtweise eingebracht werden. Dieser Spalt kann somit zweckmäßigerweise gleichmäßig ausgefüllt werden. Etwaige Unebenheiten in Deckflächen bzw. Deckblechen der zu verbindenden Wärmetauscherblöcke, welche beispielsweise im Zuge des Herstellungsprozesses der Wärmetauscherblöcke etwa durch Löten entstehen können, können somit ausgeglichen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der Werkstoff in Abhängigkeit von vorgegebenen Eigenschaften einer herzustellenden Verbindung zwischen den wenigstens zwei Wärmetauscherblöcken ausgewählt. Durch Modifikation des Werkstoffs können die Eigenschaften der Verbindung zwischen den jeweiligen Wärmetauscherblöcken zweckmäßigerweise an entsprechende Erfordernisse bzw. Einsatzfälle angepasst werden. Vorzugsweise wird der Werkstoff in Abhängigkeit von einer Wärmeleitfähigkeit und/oder von einem Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder von einer Festigkeit und/oder von einer Zähigkeit der herzustellenden Verbindung ausgewählt. Beispielsweise kann Aluminium, Kupfer oder auch Titan als Werkstoff verwendet werden.
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Vorzugsweise werden durch das additive Fertigungsverfahren die wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke jeweils an vorgegebenen Bereichen bzw. Positionen von Verbindungsflächen miteinander verbunden. Als diese Verbindungsflächen seien insbesondere diejenigen Flächen zu verstehen, an welchen bzw. über welche entsprechende Wärmetauscherblöcke miteinander verbunden werden sollen. Insbesondere stellen diese Verbindungsflächen jeweils Außenflächen bzw. Deckflächen oder Deckbleche (Cap Sheets) der jeweiligen Wärmetauscherblöcke dar. Im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens kann der insbesondere pulverförmige Werkstoff zweckmäßigerweise in den entsprechenden vorgegebenen Bereichen auf die jeweiligen Verbindungsflächen aufgebracht und verfestigt werden. Insbesondere können somit Form, Geometrie und Position der Verbindungsschicht bzw. der Verbindungsstruktur zwischen den Wärmetauscherblöcken auf spezielle Weise erzeugt werden, beispielsweise angepasst an den jeweiligen Anwendungsfall bzw. an jeweilige Betriebsbedingungen des Wärmetauschers. Beispielsweise kann die Form der Verbindungsstruktur abhängig von Temperatur- und Druckeigenschaften angepasst werden, welche über die Betriebs- bzw. Lebensdauer des Wärmetauschers zu erwarten sind. Insbesondere können auf diese Weise aus dem Betrieb des Wärmetausches entstehende Temperaturunterschiede zwischen Wärmetauscherblöcken ausgeglichen bzw. abgebaut werden. Mechanische Unstetigkeit wie eine etwaige Kerbwirkung einer Verbindungslage können vermieden werden. Der Gesamtwärmetauscherblock kann dadurch insbesondere ohne die Gefahr einer örtlichen mechanischen Überlastung gefertigt werden. Betriebssicherheit, Ausfallsicherheit und Lebensdauer des Wärmetauschers können erhöht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke durch das additive Fertigungsverfahren jeweils an ihren jeweiligen gesamten bzw. kompletten Verbindungsflächen und/oder an einem vorgegebenen Teil ihrer jeweiligen Verbindungsflächen und/oder an einem vorgegebenen Muster, z.B. wabenförmig, porös, auf ihren jeweiligen Verbindungsflächen miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen den Wärmetauscherblöcken kann somit je nach Erfordernis über einen Teil der jeweiligen Verbindungsflächen oder auch vollflächig oder gemäß einem zweckmäßigen Muster, z.B. wabenförmig, porös usw., hergestellt werden.
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Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher als ein Geradrohrwärmetauscher, als ein Plattenwärmetauscher oder als ein Lamellen-Plattenwärmetauscher bzw. Rippen-Plattenwärmetauscher (engl.: „Plate Fin Heat Exchanger“, PFHE) ausgebildet. Besonders bevorzugt ist der Wärmetauscher ein gelöteter Rippen-Plattenwärmetauscher aus Aluminium („Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchangers“, PFHE; Bezeichnungen gemäß der deutschen und englischen Ausgabe der ISO 15547-2:3005). Es versteht sich, dass „Aluminium“ dabei auch eine Aluminiumlegierung bezeichnen kann. Derartige Plattenwärmetauscher weisen insbesondere eine Vielzahl von stapelförmig angeordneten Trennblechen und Lamellen auf, sowie Deckplatten, Randleisten bzw. Sidebars, Verteiler bzw. Header. Ferner sind Rohrstücke bzw. Rohrleitungen zum Zu- und Abführen einzelner Medien vorgesehen.
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Vorzugsweise werden die wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke jeweils hergestellt, indem Lamellen bzw. Strukturbleche mit Lamellen (sog. Fins) und Trennbleche sowie ferner insbesondere Deckbleche (sog. Cap Sheets) und Randleisten (sog. Sidebars) und gegebenenfalls weitere Elemente, z.B. Strukturbleche mit Verteilerlamellen (sog. Distributor Fins), mit Lot versehen werden, zu einem Stapel angeordnet werden und erwärmt werden, zweckmäßigerweise in einem entsprechenden Ofen bzw. Lötofen. Durch die Strukturbleche mit Lamellen werden zweckmäßigerweise Wärmeaustauschpassagen für Prozessmedien definiert, die dadurch in Wärmeaustausch miteinander treten können. Insbesondere ist als ein Wärmetauscherblock somit jeweils eine Einheit zu verstehen, welche in einem Lötofen als Modul bzw. Teilmodul gelötet wird. Eine maximale Größe dieser einzelnen Teilmodule bzw. Wärmetauscherblöcke ist insbesondere durch die Größe und Geometrie des entsprechenden Lötofens vorgegeben. Durch Verbinden mehrerer Wärmetauscherblöcke zu dem gemeinsamen Gesamtwärmetauscherblock kann dennoch ein Wärmetauscher mit erhöhter Stapelhöhe erhalten werden. Besonders zweckmäßig werden durch das additive Fertigungsverfahren Deckbleche (Cap Sheets) der Wärmetauscherblöcke jeweils miteinander stoffschlüssig verbunden.
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Bevorzugt werden die wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke bzw. der Gesamtwärmetauscherblock mit wenigstens einem Verteiler bzw. Header und/oder mit wenigstens einem Stutzen verbunden, insbesondere durch Schweißen. Beispielsweise können derartige Stutzen und Header auf einzelne oder alle der Wärmetauscherblöcke aufgeschweißt werden, bevor diese mittels des additiven Fertigungsverfahrens zu dem Gesamtwärmetauscherblock verbunden werden. Ferner ist es zweckmäßigerweise denkbar, dass die Wärmetauscherblöcke zunächst zu dem Gesamtwärmetauscherblock verbunden werden und dass daraufhin Stutzen und Header auf den gefertigten Gesamtwärmetauscherblock aufgeschweißt werden.
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Vorteilhafterweise wird als das additive Fertigungsverfahren ein selektives Laserschmelzen (engl.: „selective laser melting“, SLM) und/oder ein selektives Elektronenstrahlschmelzen (engl.: „selective electron beam melting“, SEBM) durchgeführt. Im Zuge derartiger Fertigungsverfahren wird ein jeweiliger Werkstoff beispielsweise in Pulverform oder in Form von Drähten oder Bändern zwischen die zu verbindenden Wärmetauscherblöcke ein- bzw. aufgebracht und mit einem Laser- bzw. Elektronenstrahl beaufschlagt, um verfestigt zu werden. Nach Erzeugen einer Verbindungs- bzw. Werkstoffschicht zwischen den Wärmetauscherblöcken kann die nächste Schicht auf analoge Weise erzeugt werden.
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Alternativ oder zusätzlich können zweckmäßigerweise auch weitere additive Fertigungsverfahren durchgeführt werden, beispielsweise selektives Lasersintern (engl.: „selective laser sintering“, SLS), Stereolithographie (SL), Schmelzschichtung (engl.: „fused deposition modeling“, FDM, oder „fused filament fabrication“, FFF), Lichtbogendrahtauftragschweißen (engl.: „Wire and Arc Additive Manufacturing“, WAAM) usw.
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Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens in analoger Art und Weise.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche die vorliegende Erfindung und ihre Merkmale gegenüber dem Stand der Technik veranschaulichen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen nicht erfindungsgemäßen Wärmetauscher in vereinfachter isometrischer Darstellung.
- 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines stark vereinfachten schematischen Ablaufplans.
- 3 zeigt schematisch Wärmetauscherblöcke, die im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens miteinander verbunden werden.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung bei der Würdigung des Standes der Technik erläutert. Die dort verwendeten Bezugszeichen und Erläuterungen gelten auch für die nachfolgend erläuterten Figuren.
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2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines stark vereinfachten schematischen Ablaufplans. Im Zuge dessen wird ein Herstellungsprozesses eines Wärmetauschers durchgeführt, insbesondere in Form eines (hart-) gelöteten Rippen-Platten-Wärmetauschers aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung (Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger, PFHE), mit einem eine Vielzahl von Wärmetauscherblöcken 20 umfassenden Gesamtwärmetauscherblock.
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In einem Schritt 210 werden die einzelnen Wärmetauscherblöcke 20 hergestellt, beispielsweise indem jeweils eine Vielzahl von Strukturblechen mit den Lamellen 3, Strukturblechen mit Verteilerlamellen 2, Sidebars 8, Trennblechen 4 und Deckblechen 5, jeweils mit Lot versehen, aufeinander gestapelt bzw. entsprechend angeordnet und in einem Ofen erwärmt werden.
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In einem Schritt 220 werden die einzelnen Wärmetauscherblöcke 20 jeweils im Zuge eines additiven Fertigungsverfahrens miteinander verbunden. Insbesondere werden dabei jeweils Deckbleche der Wärmetauscherblöcke miteinander stoffschlüssig verbunden. Vorzugsweise wird als additives Fertigungsverfahren ein selektives Laserschmelzen (engl.: „selective laser melting“, SLM) durchgeführt. Im Zuge dessen wird ein Werkstoff, vorzugsweise in Pulverform, schichtweise in einen Spalt zwischen die Deckbleche der zu verbindenden Wärmetauscherblöcke eingebracht und mittels eines Laserstrahls verfestigt. Alternativ oder zusätzlich kann vorzugsweise auch ein Elektronenstrahlschmelzen (engl.: „selective electron beam melting“, SEBM) durchgeführt werden, im Zuge dessen der Werkstoff mittels eines Elektronenstrahls verfestigt wird.
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Nachdem die einzelnen Wärmetauscherblöcke 20 zu dem Gesamtwärmetauscherblock verbunden wurden, wird dieser Gesamtwärmetauscherblock in Schritt 230 mit Verteilern 7 und Stutzen 6 verbunden, beispielsweise durch ein Schweißverfahren.
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In 3a und 3b ist schematisch dargestellt, wie zwei Wärmetauscherblöcke 20A und 20B im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem Gesamtwärmetauscherblock 320 eines Wärmetauschers 300 miteinander verbunden werden.
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In 3a ist der Wärmetauscher 300 in einer vereinfachten schematischen Seitenansicht gezeigt und in 3b in einer vereinfachten schematischen Schnittdarstellung entlang der der Linie A-A aus 3a.
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Die Wärmetauscherblöcke 20A, 20B sind jeweils insbesondere baugleich zu dem in 1 dargestellten Wärmtauscherblock 20 ausgebildet und umfassen jeweils eine Vielzahl von Strukturblechen mit den Lamellen 3, Strukturblechen mit Verteilerlamellen 2, Sidebars 8, Trennblechen 4 und Deckblechen 5, die jeweils mit Lot versehen, aufeinander gestapelt bzw. entsprechend angeordnet und in einem Ofen erwärmt wurden.
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Mittels des additiven Fertigungsverfahrens, beispielsweise des selektiven Laserschmelzens, werden ein erstes Deckblech 5A des ersten Wärmetauscherblocks 20A und ein zweites Deckblech 5B des zweiten Wärmetauscherblocks 20B miteinander stoffschlüssig verbunden, wobei ein pulverförmiger Werkstoff schichtweise zwischen die Deckbleche 5A und 5B eingebracht und mittels eines Laserstrahls 411 verfestigt wird, welcher beispielsweise von einem Pulslaser 410 erzeugt wird. Wie in 3a und 3b beispielhaft und nicht maßstabsgerecht dargestellt, wird eine neue Schicht 311 aus pulverförmigem Werkstoff eingebracht und mittels des Laserstrahls 411 mit den darunterliegenden Schichten 312 stoffschlüssig verbunden.
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Somit wird eine Verbindungsstruktur bzw. Verbindungsschicht 310 zwischen den Wärmetauscherblöcken 20A und 20B erzeugt, welche die Deckbleche 5A und 5B direkt miteinander verbindet, insbesondere ohne Verwendung von zusätzlichen Elementen wie zusätzliche Sidebars und ferner insbesondere ohne dass ein Spalt zwischen Wärmetauscherblöcken 20A, 20B frei bleibt.
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Form und Eigenschaften dieser Verbindungsschicht 310 können mittels des additiven Fertigungsverfahrens individuell gewählt und flexibel angepasst werden. Im gezeigten Beispiel der 3a und 3b werden die Wärmetauscherblöcke 20A, 20B beispielsweise vollflächig über die gesamten bzw. kompletten Deckbleche 5A, 5B miteinander verbunden. Alternativ können die Wärmetauscherblöcke 20A, 20B beispielsweise auch nur an vorgegebenen Bereichen bzw. Positionen der Deckbleche 5A, 5B miteinander verbunden werden, wobei im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens nur in diesen Bereichen der Werkstoff aufgebracht und verfestigt wird.
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Ferner kann der Werkstoff ausgewählt werden, damit die Verbindungsschicht 310 vorgegebene Eigenschaften aufweist, beispielsweise eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit, einen vorgegebenen Wärmeausdehnungskoeffizient, eine vorgegebene Festigkeit und/oder einer vorgegebene Zähigkeit.
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Durch das vorliegende Verfahren kann somit eine Verbindung von Wärmetauscherblöcken mit verbesserten Eigenschaften erreicht werden, wodurch insbesondere der Betrieb des Wärmetauschers verbessert werden kann. Betriebssicherheit, Ausfallsicherheit und Lebensdauer des Wärmetauschers können erhöht werden.
