DE10228697A1

DE10228697A1 - Verfahren zur Verbindung eines Rohrs aus Metall mit umfangsseitigen Rippen aus einem Nichteisen-Metall als Bestandteile eines Wärmeübertragers und Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE10228697A1
Application number: DE2002128697
Authority: DE
Inventors: Eckhard Volkmer; Raimund Dr.-Ing. Witte; Michael Dr.-Ing. Herbermann
Original assignee: GEA Energietchnik GmbH
Current assignee: GEA Energietchnik GmbH
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2002-06-27
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-06-28
Also published as: DE10228697C5; DE10228697B4

Abstract

Bei der Erfindung wird zur Verbindung eines Rohrs (2) aus Stahl mit umfangsseitigen Rippen (10) aus Aluminium als Bestandteile eines Wärmeübertragers (3) auf die den Rippen (10) zugewandte Oberfläche (7) des Rohrs (2) eine Korrisionsschutzschicht (6) aufgebracht. Die Rippen (10) werden mit einem eine kurze Aushärtezeit aufweisenden Klebstoff (14) unter Ausbildung einer einen intensiven Wärmeübergang gewährleistenden Klebstoffschicht (16) zwischen den Rippen (10) und dem Rohr (2) lagefixiert. Die Rippen (10) sind Bestandteile eines gewellten Rippenbands (9). Das Rohr (2) weist einen langgestreckten Querschnitt auf, wobei das Verhältnis der Größe der längeren Seite zur Größe der kurzen Seite 11 : 1 bemessen ist. Die Länge des Rohrs (2) beträgt 10 m.

Description

Die Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren zur Verbindung eines Rohrs aus Metall mit umfangsseitigen Rippen aus einem Nichteisen-Metall (Ne-Metall) als Bestandteile eines Wärmeübertragers.
Andererseits richtet sich die Erfindung auf einen Wärmeübertrager.
Ein Wärmeübertrager, bei welchem die Wärme von einem Medium mit einer hohen Wärmeübergangszahl, wie z.B. kondensierender Dampf, an ein Medium mit einer niedrigen Wärmeübergangszahl, wie z.B. Umgebungsluft, übertragen wird, weist in aller Regel umfangsseitig von innenseitig das Medium mit der hohen Wärmeübergangszahl führenden Rohren aus Stahl lagefixierte Rippen aus einem NE-Metall, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, auf. Um hierbei den Wärme leitenden Kontakt zwischen den Rohren und den Rippen herzustellen, sind im Stand der Technik diverse Verbindungstechniken bekannt. Welche Materialien für die Rohre einerseits und für die Rippen andererseits zum Einsatz gelangen, hängt jeweils von technischen und/oder wirtschaftlichen Gesichtspunkten ab. Hierbei kann es jedoch zu einer Reihe von Materialkombinationen kommen, deren Verbindung durch Schweißen, Löten oder Feuerverzinken nicht möglich ist.
So zählt es zum Stand der Technik, dass bei luftgekühlten Kondensationsanlagen für Wasserdampfturbinen die Kondensation des Dampfes in Rippenrohrbündeln erfolgt. Diese Rippenrohrbündel weisen Rohre aus Stahl mit einem langgestreckten Querschnitt auf. Die Rohre sind mit Aluminium beschichtet. Auf die beschich-teten Breitseiten werden Einzelrippen oder Rippenbänder aus Aluminium gelötet. Die Rippen bzw. Rippenbänder müssen beidseitig lotplattiert sein. Sowohl die Beschichtung der Rohre als auch die der Rippen ist spezifisch teuer und mit einem vergleichsweise hohen Energieaufwand für den Lötprozess verbunden.
Es könnte zwar eine höhere Wirtschaftlichkeit dadurch erzielt werden, dass zum einen auf eine Beschichtung der Rohre mit Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung und zum anderen auf die Lotplattierung der Rippen bzw. der Rippenbänder verzichtet wird. In diesem Falle wäre jedoch eine Verlötung der Rippen bzw. Rippenbänder mit den Rohren nicht mehr möglich. Auch würde der Korrosionsschutz der aus Kohlenstoffstahl bestehenden Rohre entfallen.
Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbindung eines Rohrs aus Metall mit umfangsseitigen Rippen aus einem Nichteisen-Metall als Bestandteile eines Wärmeübertragers einerseits sowie einen Wärmeübertrager mit mindestens einem solchen berippten Rohr andererseits zu schaffen, bei welchen der zum Lagefixieren der Rippen umfangsseitig des Rohrs erforderliche Energieeinsatz unter Verwendung von in der Kombination kostengünstigen Materialien für das Rohr und die Rippen erheblich reduziert werden kann.
Was den verfahrenstechnischen Teil dieser Aufgabe anlangt, so wird dessen Lösung in den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gesehen.
Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in den Merkmalen des Patentanspruchs 2.
Kern der Erfindung ist der Einsatz eines Klebstoffs, welcher eine einfache Fügung kostengünstiger Materialien für das Rohr einerseits und die Rippen andererseits erlaubt. Hierbei gelangt ein Klebstoff zur Anwendung, der in einem Temperaturbereich von –50°C bis etwa 120°C bei einer Luftfeuchtigkeit bis 100% voll wirksam ist. Auch hält er der UV-Strahlung bei Sonnenlicht einwandfrei stand. Um ausreichende Haftkräfte zwischen den Oberflächen und dem Klebstoff zu schaffen, soll seine Benetzbarkeit mindestens 45 mJ/m² betragen. Weitere Eigenschaften des einzusetzenden Klebstoffs sind eine kurze Aushärtezeit in einem Temperaturbereich nicht über 200°C, vorzugsweise zwischen 130° und 180°C . Der Klebstoff weist eine hohe Festigkeit auf und in Verbindung mit geeigneten Füllmitteln besitzt er eine gute Wärmeleitfähigkeit. Er ist darüber hinaus lösungsmittelfrei und hinsichtlich seines Auftrags auf eine Oberfläche auch automatisierbar.
Jedes Bestandteil eines Wärmeübertragers bildende Rohr besteht bevorzugt aus einem Kohlenstoffstahl. Sofern auf der das heiße Medium führenden Seite auch andere Materialien akzeptiert werden, können diese ebenfalls zum Einsatz gelangen. Hierbei kommen in erster Linie Edelstahl oder Aluminium in Frage.
Die entsprechend dem Querschnitt eines Rohrs und/oder dem Einsatzort eines Wärmeübertrages angepassten Rippen können Einzelrippen oder Rippenbänder sein. Sie bestehen grundsätzlich aus einem Nichteisen-Metall (NE-Metall), wobei Aluminium oder eine Aluminium-Legierung bevorzugt zum Einsatz gelangt. Dies insbesondere aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit, des geringen Gewichts und der hohen Korrosionsbeständigkeit. Aber auch andere NE-Metalle, wie beispielsweise Kupfer, sind denkbar.
Bei der Ausführungsform eines Wärmeübertragers gemäß Patentanspruch 3 besteht das Rohr aus Stahl, während die Korrosionsschutzschicht aus einer Kombination von NE-Metallen gebildet ist und die Rippen über die Klebstoffschicht mit der Korrosionsschutzschicht Wärme leitend verbunden sind. Als eine Kombination von NE-Metallen kann beispielsweise Zink/Aluminium (ZnAl) zum Einsatz gelangen. Diese NE-Metalle können mittels Lichtbogen oder Flammspritzen auf die Oberfläche eines Rohrs aufgetragen werden. Zwischen der Korrosionsschutzschicht und den Rippen befindet sich dann eine Klebstoffschicht. Diese Klebstoffschicht ist vergleichsweise dünn, insbesondere < 100 μm und gewährleistet somit einen guten Wärmeübergang.
Nach Patentanspruch 4 ist es auch denkbar, dass das Rohr aus Stahl besteht, die Korrosionsschutzschicht durch auf dem Rohr befestigte NE-Metallfolien gebildet ist und die Rippen über die Klebstoffschicht mit der Korrosionsschutzschicht Wärme leitend verbunden sind.
Eine weitere Ausführungsform ist in den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gekennzeichnet. Danach besteht das Rohr aus Stahl. Die Korrosionsschutzschicht ist durch mindestens einlagig aufgebrachte Farbe gebildet und die Rippen sind über die Klebstoffschicht mit der Korrosionsschutzschicht Wärme leitend verbunden.
Entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 6 kann der Klebstoff selber die gesamte, den Rippen zugewandte Oberfläche des Rohrs benetzen und dadurch unmittelbar die Funktion einer Korrosionsschutzschicht übernehmen.
Wenn gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 7 die Rippen aus Aluminium bzw. einer Aluminium-Legierung gebildet sind, weisen die Rippen entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 8 zweckmäßig eine Dicke zwischen 0,2 mm und 0,4 mm auf. Bevorzugt besitzen sie eine Dicke zwischen 0,25 mm und 0,3 mm.
Bei einem Bestandteil einer luftgekühlten Kondensationsanlage bildenden Wärmeübertrager ist nach Patentanspruch 9 das Rohr vorteilhaft mit einem langgestreckten Querschnitt versehen. Die Längskanten sind gerundet. Das Rohr weist dann zwei unterschiedlich lange Seiten auf, wobei das Verhältnis der Größe der längeren Seite zur Größe der kürzeren Seite etwa wie 13 : 1 bis 9 : 1 bemessen ist. In der Praxis führt dies zu einem Rohr, dessen längere Seite zwischen 150 mm und 250 mm und dessen kürzere Seite zwischen 10 mm und 25 mm lang bemessen sind.
Eine wirtschaftliche und fertigungstechnisch günstige Länge eines Rohrs besteht gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10 dann, wenn das Rohr zwischen 6 m und 12 m lang gestaltet ist.
Besonders günstige Wärmeübergangsverhältnisse werden entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 11 erreicht, wenn das Verhältnis der Größe der mit Rippen versehenen Oberfläche des Rohrs zur Größe der Oberfläche der Rippen etwa zwischen 1 : 10 bis 1 : 20, vorzugsweise zwischen 1 : 14 bis 1 : 17, bemessen ist.
In diesem Fall wird es gemäß Patentanspruch 12 als besonders vorteilhaft angesehen, dass die Rippen einstückige Bestandteile eines gewellten Rippenbands sind. Die dann der Oberfläche des Rohrs zugewandten, zwei Rippen verbindenden bogenförmigen Bereiche des Rippenbands erlauben eine besonders gute Fixierung des Rippenbands umfangseitig des Rohrs, bevorzugt eines Flachrohrs gemäß Patentanspruch 9, und zwar dadurch, dass zwischen den bogenförmigen Bereichen und insbesondere der Korrosionsschutzschicht drei Klebstoffzonen ausgebildet werden. Mittig der bogenförmigen Bereiche befindet sich eine sehr dünne Zone von < 100 μm, die einen guten Wärmeübergang von dem heißen Medium im Rohr auf die Kühlluft umfangseitig des Rippenbands sicherstellt. Rechts und links neben dieser Wärmeübergangszone liegen dickere Klebstoffzonen, die sich durch hohe Festigkeit und Elastizität auszeichnen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 Einen Längsschnitt durch die Wand eines Rohrs eines Wärmeübertragers mit umfangsseitigen Rippen;
2 die Darstellung der 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform und
3 in der Perspektive einen Längenabschnitt eines Rohrs mit rechteckigem Querschnitt für einen Wärmeübertrager.
In den 1 bis 3 ist mit 1 die Wand eines aus Kohlenstoffstahl bestehenden Rohrs 2 für einen nicht näher dargestellten Wärmeübertrager 3 in Form einer luftgekühlten Kondensationanlage für Wasserdampfturbinen bezeichnet.
Das Rohr 2 weist gemäß 3 einen langgestreckten rechteckförmigen Querschnitt mit unterschiedlich langen Seiten 4, 5 auf. Das Verhältnis der Höhe H der längeren Seiten 4 zur Breite B der kürzeren Seiten 5 ist wie 11 : 1 bemessen. Die langen Seiten 4 sind z.B. 176 mm und die kurzen Seiten r sind 16 mm lang bemessen.
Die Länge L des Rohrs 2 beträgt 10 m.
Das Rohr 2 ist gemäß der Ausführungsform der 1 mit einer Korrosionsschutzschicht 6 aus einer Kombination der Materialien Zink (Zn) und Aluminium (AI) gebildet. Die Korrosionsschutzschicht 6 ist durch Flammspritzen auf die äußere Oberfläche 7 der Wand 1 aufgebracht.
Wie die 1 ferner erkennen lässt, ist umfangsseitig des Rohrs 2 – genauer gesagt – auf den beiden Breitseiten 8 des Rohrs 2 ein gewelltes Rippenband 9 lagefixiert. Das Rippenband 9 setzt sich aus mehreren parallel zueinander ausgerichteten Rippen 10 zusammen, die durch bogenförmige Abschnitte 11 einstückig miteinander verbunden sind. Das Rippenband 9 besteht aus Aluminium. Die Dicke D der Rippen beträgt 0,3 mm. Das Verhältnis der Größe der mit Rippen 10 versehenen Oberfläche 12 des Rohrs 2, hier die Oberfläche 12 der Korrosionsschutzschicht 6, ist zur Größe der Gesamtoberfläche 13 der Rippen 10 wie 1 : 16 bemessen.
Das Rippenband 9 ist mittels eines Klebstoffs 14, der zwischen 130°C und 180°C aushärtet, auf der Oberfläche 12 der Korrosionsschutzschicht 6 lagefixiert. Die Lagefixierung ist hierbei so getroffen, dass sich in jedem bogenförmigen Bereich 11 des Rippenbands 9 und der Oberfläche 12 der Korrosionsschutzschicht 6 eine dünne Zone 15 einer Klebstoffschicht 16 ausbildet, die < 100 μm bemessen ist. Links und rechts dieser Zone 15 befinden sich dickere Zonen 17 der Klebstoffschicht 16, welche sich durch hohe Festigkeit und Elastizität auszeichnen. Die dünnere Zone 15 dient dem optimalen Wärmeübergang von dem in dem Rohr 2 geführten heißen Medium, z.B. ein kondensierender Dampf, und der die Rippen 10 des Rippenbands 9 umstreichenden Umgebungsluft.
Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von derjenigen der 1 nur dadurch, dass die Korrosionsschutzschicht 18 unmittelbar durch den die Rippen 10 umfangsseitig des Rohrs 2 lagefixierenden Klebstoff 14 gebildet ist. D.h. hier sind Korrosionsschutzschicht 18 und Klebstoffschicht eins.

1: Wand v. 2
2: Rohr v. 3
3: Wärmeübertrager
4: lange Seiten v. 2
5: kurze Seiten v. 2
6: Korrosionsschutzschicht auf 7
7: Oberfläche v. 1
8: Breitseiten v. 2
9: Rippenband
10: Rippen v. 9
11: bogenförmige Abschnitte v. 9
12: Oberfläche v. 6
13: Gesamtoberfläche v. 10
14: Klebstoff
15: Zone v. 16
16: Klebstoffschicht
17: Zonen v. 16
18: Korrosionsschutzschicht
B: Breite v. 5
D: Dicke v. 10
H: Höhe v. 4
L: Länge v. 2

Claims

Verfahren zur Verbindung eines Rohrs (2) aus Metall mit umfangsseitigen Rippen (10) aus einem Nichteisen-Metall (NE-Metall) als Bestandteile eines Wärmeübertragers (3), bei welchem auf die den Rippen (10) zugewandte Oberfläche (7) des Rohrs (2) eine Korrosionsschutzschicht (6, 18) aufgebracht wird und die Rippen (10) mit einem eine kurze Aushärtezeit aufweisenden Klebstoff (14) unter Ausbildung einer einen intensiven Wärmeübergang gewährleistenden Klebstoffschicht (16, 18) zwischen den Rippen (10) und dem Rohr (2) lagefixiert werden.
Wärmeübertrager, der mindestens ein innenseitig ein Medium führendes Rohr (2) aus Metall und umfangsseitig des der Umgebungsluft ausgesetzten Rohrs (2) Rippen (10) aus einem Nichteisen-Metall (NE-Metall) aufweist, bei welchem unter Ausbildung einer Korrosionsschutzschicht (6, 18) auf der Oberfläche (7) des Rohrs (2) die Rippen (10) durch einen Klebstoff (14) mit begrenzter Elastizität und kurzer Aushärtezeit lagefixiert sind, wobei zwischen der Oberfläche (7) des Rohrs (2) und den Rippen (10) eine Wärme übertragende Klebstoffschicht (16, 18) vorgesehen ist.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 2, bei welchem das Rohr (2) aus Stahl besteht, die Korrosionsschutzschicht (6) aus einer Kombination von NE-Metallen gebildet ist und die Rippen (10) über die Klebstoffschicht (16) mit der Korrosionsschutzschicht (6) Wärme leitend verbunden ist.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 2, bei welchem das Rohr (2) aus Stahl besteht, die Korrosionsschutzschicht (6) durch auf dem Rohr (2) befestigte NE-Metallfolien gebildet ist und die Rippen (10) über die Klebstoffschicht (16) mit der Korrosionsschutzschicht (6) Wärme leitend verbunden sind.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 2, bei welchem das Rohr (2) aus Stahl besteht, die Korrosionsschutzschicht (6) durch aufgebrachte Farbe gebildet ist und die Rippen (10) über die Klebstoffschicht (16) mit der Korrosionsschutzschicht (6) Wärme leitend verbunden sind.
Wärmeübertrager nach Patentanspruch 2, bei welchem das Rohr (2) aus Stahl besteht und die Korrosionsschutzschicht (18) durch den die Rippen (10) in ihrer Lage fixierenden Klebstoff (14) gebildet ist.
Wärmeübertrager nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, bei welchem die Rippen (10) aus Aluminium bzw. einem NE-Metall oder einer NE-Legierung gebildet sind.
Wärmeübertrager nach einem der Patentansprüche 2 bis 7, bei welchem die Rippen (10) eine Dicke (D) zwischen 0,2 mm und 0,4 mm, bevorzugt zwischen 0,25 mm und 0,3 mm aufweisen.
Wärmeübertrager nach einem der Patentansprüche 2 bis 8, bei welchem das Rohr (2) einen langgestreckten Querschnitt mit unterschiedlich langen Seiten (4, 5) aufweist, wobei das Verhältnis der Größe (N) der längeren Seiten (4) zur Größe (B) der kürzeren Seiten (5) etwa wie 13 : 1 bis 9 : 1 bemessen ist.
Wärmeübertrager nach einem der Patentansprüche 2 bis 9, bei welchem das Rohr (2) eine Länge (L) zwischen 6 m und 12 m aufweist.
Wärmeübertrager nach einem der Patentansprüche 2 bis 10, bei welchem das Verhältnis der Größe der mit Rippen (10) versehenen Oberfläche (7) des Rohrs (2) zur Größe der Oberfläche (13) der Rippen (10) etwa zwischen 1 : 10 bis 1 : 20, vorzugsweise 1 : 14 bis 1 : 17, bemessen ist.
Wärmeübertrager nach einem der Patentansprüche 2 bis 11, bei welchem die Rippen (10) einstückige Bestandteile eines gewellten Rippenbandes (9) sind.