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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anschweißen von Rohren geringen
Durchmessers, deren Abstand voneinander an den Rohrenden das Eineinhalbfache des
Außendurchmessers der Rohre nicht übersteigt, an einen Sammler eines Röhrenwärmeaustauschers.
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Wärmeaustauscher sollen generell bei möglichst kompakter Bauweise
und möglichst geringem Raumbedarf eine maximal große Wärmeaustauschfläche besitzen.
Diese Forderung läßt sich für Röhrenwärmeaustauscher durch Verwendung von sehr engen
Rohren (z. B. in der Größenordnung von 9 bis 16 mm Durchmesser) erfüllen, wenn zugleich
die Rohre in dem sehr geringen Abstand von weniger als dem Eineinhalbfachen des
Rohrdurchmessers voneinander angeordnet sind.
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Zur Herstellung von Röhrenwärmeaustauscher mit derartig engständigen
Rohren ist es bekannt, die Rohrenden durch Bohrungen in der Wandung der Sammler
durchzustecken und auf der Sammlerinnenseite durch eine Saumnaht mit den Sammlern
zu verschweißen. Dieses Herstellungsverfahren bringt jedoch einige wesentliche Nachteile
mit sich. Erstens müssen die Bohrungen in den Sammlern an den Außendurchmesser der
Rohre angepaßt und damit verhältnismäßig groß sein, so daß die Sammler aus Festigkeitsgründen
eine beträchtliche Wanddicke besitzen müssen. Außerdem können in der Regel als Sammler
nur Kopfplatten oder Sammlerrohre von großem Durchmesser verwendet werden, weil
sonst das Anbringen der Saumnaht auf Schwierigkeiten stößt. Schließlich ergeben
sich zwischen den Rohren und der Innenwand der Sammler-Bohrungen jeweils schmale
Spalte, in denen sich Verunreinigungen ablagern und Korrosionen ergeben können.
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Die Nachteile der Saumnahtverbindung, nämlich die vergrößerte Wanddicke
der Sammler und die Notwendigkeit der Verwendung von Kopfplatten (bzw. großen Sammlerrohren),
wirken sich sehr ungünstig auf den Raumbedarf des Wärmeaustausches , aus und bedingen
ziemlich aufwendige Konstruktionen, lassen sich aber oftmals noch in Kauf nehmen.
Dagegen ist der letztgenannte Nachteil der Saumnahtverbindung für zahlreiche Anwendungsfälle
von Wärmeaustauschern, z. B. bei Wärmeaustauschern , für Kernkraftanlagen, bei denen
eines der beiden Medien radioaktiv ist, unter keinen Umständen akzeptabel. Daher
waren in diesen Fällen bislang Konstruktionen notwendig, die die Sicherheitsanforderungen
erfüllen, nicht aber die - gerade bei Kernkraft- ; anlagen od. dgl. stark im Vordergrund
stehende -Forderung nach geringstem Raumbedarf und kompakter Bauweise.
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Eine bekannte Konstruktion, die den Sicherheitsanforderungen entspricht,
besteht darin, die Sammler mit dem Innendurchmesser der Rohre entsprechenden Bohrungen
zu versehen, außen koaxial vor diese Bohrungen kurze Rohrstutzen mit einem den Rohren
gleichen Innendurchmesser an die Sammler anzuschweißen (bzw. solche Rohrstutzen
aus einem Stück mit den Sammlern auszubilden) und dann die Rohre des Rohrbündels
in einer Rundnaht stumpf mit den Rohrstutzen zu verschweißen. Bei dieser Konstruktion
sind - ordnungsgemäße Schweißnähte vorausgesetzt - an den Anschlußstellen der Rohre
an die Sammler nur stetig verlaufende Flächen vorhanden und jegliche korrosionsanfälligen
Spalte vermieden. Außerdem kann bei dieser Konstruktion auch die Wanddicke der Sammler
geringer gehalten werden, weil die Bohrungen in den Sammlern einen verminderten
Durchmesser haben und daher die Festigkeit der Sammler nicht so stark beeinträchtigen
wie bei der Saumnahtverbindung.
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Diesen Vorteilen steht bei der bekannten Konstruktion der entscheidende
Nachteil gegenüber, daß der Abstand der Rohre des Rohrbündels an den Anschlußstellen
am Sammler nicht auf die gewünschten kleinen Werte gebracht werden kann. Bei den
Schweißnähten im Bereich der Anschlußstellen wurde nämlich bislang stets eine reine
Innenwandnaht ausdrücklich vermieden und zumindest eine teilweise Bearbeitung von
außen her (z. B. die Verwendung einer X-Naht oder die Schweißung wenigstens einer
Außenlage) für unumgänglich gehalten, mit der Folge, daß bei allen bekannten Konstruktionen
mit Rohrstutzen die Teilung des Rohrbündels beschränkt ist durch die Notwendigkeit,
die Zugänglichkeit der Außenseite der Rohre für ein Schweißwerkzeug aufrechtzuerhalten.
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In erster Linie wirkt sich bei den mit Rohrstutzen versehenen Konstruktionen
die Schweißnaht zwischen den Rohren des Rohrbündels und den Rohrstutzen auf die
Teilung des Rohrbündels aus, während die Schweißnaht zwischen den Rohrstutzen und
den Sammlern wegen der kurzen Länge der Rohrstutzen auch bei enger Teilung im allgemeinen
noch von außen her gut bearbeitbar bleibt. Der Vorbehalt, die Schweißverbindung
von außen zur Aufbringung mindestens einer Lage von außen her zugänglich zu halten,
gilt aber - sowohl in bezug auf die autogene Schweißtechnik als auch in bezug auf
das Lichtbogenschweißen - gerade für die Rundnähte zwischen den Rohren des Rohrbündels
und den Rohrstutzen, so daß im Ergebnis die Herstellung eines kompakten Röhrenwärmeaustauschers
mit enger Teilung des Rohrbündels durch das Verfahren des Anschweißens der Rohre
an Rohrstutzen der Sammler bisher nicht möglich erschien.
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Demgegenüber wird mit der Erfindung ein Verfahren angegeben, das erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet ist, daß die Rohre stumpf mittels einer reinen, durch Schutzgas-Lichtbogenschweißen
mit nicht abschmelzender Elektrode gezogenen Innenrundnaht mit den in an sich bekannter
Weise an den Sammlern vorgesehenen Rohrstutzen verschweißt werden.
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Die Erfindung gibt mithin den Gedanken, die Schweißnaht zwischen den
Rohrstutzen und den Rohren auch von außen her zu bearbeiten, völlig auf. Sie beruht
auf der konsequenten Ausnutzung der überraschenden Erkenntnis, daß sich -entgegen
den bisherigen Vorbehalten - sehr wohl eine gute Schweißverbindung durch eine reine
Innenrundnaht erzeugen läßt, wenn diese Schweißverbindung im Lichtbogenverfahren
mit nicht abschmelzender Elektrode (z. B. im sogenannten WIG-Verfahren mit Wolfram-Elektrode)
hergestellt wird. Damit weist die Erfindung erstmals einen (bisher nicht gangbar
erschienenen) Weg, die Vorteile eines Wärmeaustauschers mit Saumnahtverbindung zwischen
den Rohren und den Sammlern (nämlich die enge Teilung des Rohrbündels) zu verbinden
mit den Vorteilen eines Wärmeaustauschers mit Rohrstutzen (nämlich die geringe Wanddicke
der Sammler und die Vermeidung aller korrosionsgefährdeten Spalte zwischen den Sammlern
und den Rohrenden) und dadurch einen
Röhrenwärmeaustauscher zu schaffen,
der sowohl in Hinsicht auf den Raumbedarf als auch in Hinsicht auf die Sicherheitsanforderungen
allen Ansprüchen optimal genügt.
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Bei der bisher für Wärmeaustauscher mit Rohrstutzen verwendeten Schweißtechnik
mußte - unabhängig davon, ob die Innennaht oder die Außennaht zuerst gezogen wird
- stets die Wurzel im Inneren des Werkstückes sorgfältig ausgeschliffen und nachgeschweißt
werden, wenn die Regelmäßigkeit und Qualität der Naht gewährleistet sein soll. Dieses
Nachbearbeiten läßt sich bei engen Rohren nicht mit der notwendigen Sorgfalt ausführen
und ist deshalb mit ursächlich für einen großen Durchmesser und eine weite Teilung
der Rohre des Rohrbündels bei den bisherigen Konstruktionen mit Rohrstutzen. Es
war daher an sich zu erwarten, daß eine Schweißverbindung von engen Rohren mit einer
reinen Innennaht, die keine Möglichkeit der Beeinflussung oder Nachbearbeitung der
Rohraußenseite zuläßt, von vornherein qualitativ nicht ausreichend sein würde. Jedoch
hat sich gezeigt, daß die erfindungsgemäß vorgesehene Schweißverbindung ohne jegliche
Nachbearbeitung eine ausgezeichnete Qualität besitzt und überdies noch nicht einmal
einer visuellen Kontrolle während des Schweißens bedarf.
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Die Tatsache, daß die Schweißverbindung ohne Nachbearbeitung und ohne
visuelle Kontrolle eine unvorhersehbar hohe Qualität besitzt, rückt nicht nur den
Vorschlag der Erfindung überhaupt erst in den Bereich der technischen Ausführbarkeit,
sondern ermöglicht außerdem auch den Vorteil der Verwendung eines automatischen
Schweißwerkzeugs. Als besonders geeignet hat sich dabei ein Schweißwerkzeug gemäß
der deutschen Patentschrift 1128 937 (K1. 21 h 30/12) erwiesen. Dieses Schweißwerkzeug
setzt sich zusammen aus einer innerhalb eines röhrenförmigen Gehäuses angeordneten
Lichtbogen-Schweißelektrode (im allgemeinen aus Wolfram), die mit ihrer Spitze in
einer Öffnung in der Seitenwandung des Gehäuses liegt, aus einem Halter, auf dem
die Elektrode mit dem Gehäuse drehbar befestigt ist, aus einer Halterung zum Befestigen
des Schweißaggregates koaxial innerhalb des zu schweißenden Elementes sowie schließlich
aus einer Einrichtung zur Zufuhr eines , inerten Gases (im allgemeinen Argon) zum
röhrenförmigen Gehäuse.
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Einen weiteren Vorteil der Erfindung stellt es dar, daß die Schweißverbindung
wegen des Fortfalls einer visuellen Kontrolle auch bei Sammlerrohren von verhältnismäßig
geringem Durchmesser angebracht werden kann. Dadurch ergeben sich für Röhrenwärmeaustauscher
mit einem Rohrbündel aus engen und engständigen Rohren Bauweisen, die bislang nicht
ausführbar waren. So kann beispielsweise nunmehr das Rohrbündel zusammen mit verhältnismäßig
kleinen Sammlerrohren als vorgefertigte Rohrgruppe in ein mantelartiges Gehäuse
eingesetzt und durch die Anschlußleitungen der Sammlerrohre in dem Gehäuse gehalten
werden. Dies führt zu einem übersichtlichen, einfachen Aufbau des Wärmeaustauschers,
der eine (im Vergleich zu den Wärmeaustauschern mit engständigen Rohren und Saumnahtverbindung)
zusätzliche Verminderung des Raumbedarfs mit sich bringt und außerdem auch die Verwendung
von entsprechend kleinen Gehäusedeckeln im Bereich der Sammler möglich macht.
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Nachfolgend wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen an Hand der
Zeichnungen näher erläutert. Dabei stellt dar F i g. 1 im Schnitt eine erfindungsgemäß
ausgebildete Anschlußstelle eines Wärmeaustauschrohres an einem Sammler, F i g.
2 im Schnitt eine andere Ausführungsform einer solchen Anschlußstelle.
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Im Beispiel der F i g. 1 erstrecken sich von der Außenwandung eines
Sammlers bzw. einer Kopfplatte 102 aus Rohrstutzen 120 nach außen,
die mit dem Sammler 102 um jeweils eine Bohrung 124 herum verschweißt sind. Der
Durchmesser dieser Bohrungen ist gleich dem Innendurchmesser der Rohrstutzen
120. Das mit dem Sammler 102 verschweißte Ende der Rohrstutzen
120 ist nach außen abgeschrägt, und das Verschweißen ist unter Verwendung
eines Füllmetalls mit einer normalen, von außen durchgeführten Schweißung vorgenommen.
Der Rohrstutzen 120 kann in einem typischen Maß etwa 31,7 mm lang sein.
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An das äußere Ende der Rohrstutzen 120 ist jeweils das Ende
eines Wärmeaustauschrohres 100
stumpf angeschweißt, und zwar vermittels einer
Innenrundnaht, die im Lichtbogenverfahren mit nicht abschmelzender Elektrode gezogen
ist. Für die Herstellung dieser Innenrundnaht ist das eingangs beschriebene Schweißwerkzeug
besonders vorteilhaft geeignet. Dabei kann, bevor das Schweißwerkzeug in die Bohrung
124 in der Sammlerwandung eingesetzt wird, es notwendig sein, die von dem Verschweißen
des Rohrstutzens 120 mit dem Sammler gebildete Schweißraupe zu entfernen.
Dieses kann mit einem Drillbohrer geschehen, dessen Durchmesser leicht größer ist
als der Innendurchmesser der Rohrstutzen und der Bohrungen.
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Im Beispiel der F i g. 2 sind mit dem Sammler 102
keine gesonderten
Rohrstutzen verschweißt, sondern es sind um die Bohrungen 124 in der Sammlerwandung
herum konzentrische Rillen 122 ausgenommen, durch die sich aus einem Stück
mit der Sammlerwandung bestehende, zylindrische Ringstege 126 ergeben. Die Dicke
dieser Ringstege ist etwa gleich der Wandungsdicke der Rohre 100, von denen
in F i g. 2 nur eines gezeigt ist. Im Falle von Rohren 100 mit 9,5 mm Innendurchmesser
und 1,4 mm Wanddicke sind die Rillen 122 zweckmäßig etwa 1,6 mm breit und etwa 9,5
mm tief. Die Bodenteile der Rillen sind dabei aus Festigkeitsgründen abgerundet,
und zwar mit einem Radius, der etwa gleich der Rillenbreite ist.
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Die Ringstege 126 übernehmen im Beispiel der F i g. 2 die Funktion
der Rohrstutzen 120 (F i g. 1). Sie werden in gleicher Weise wie die Rohrstutzen
stumpf mit dem Ende der Rohre 100 verschweißt, und zwar mittels der gleichen
Schweißtechnik.