DE2430771A1

DE2430771A1 - Waermeaustauscher und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2430771A1
Application number: DE2430771A
Authority: DE
Inventors: Kiyotelu Takayasu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-06-26
Filing date: 1974-06-26
Publication date: 1975-01-23
Also published as: CA1039481A; AU7062574A; GB1451015A; FR2235345A1; US3922768A; DE2430771C2; FR2235345B1

Description

Dr.D.Thomsen PATE WTANWALTS BÜRO W. Weinkauff τβωοη (O₆₃) 530211 Dr. I. Ruch ^M0212 OLtnil'

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Dr. H. Agular

, PATENTANWÄLTE

Mönchen: Frankfurt/M.:

Dr. rer. nat D. Thomsen Dlpl.-Ing. W. Weinkauff

Dr. rar. nat I. Ruch (Fuchihohl 71) Dipl.- Ing. Dr. H. Agular

8000 Mönchen 2 Kalser-Ludwig-Platzö 26. Juni 1974

Kiyotelu Takayasu
Nara-City, Japan

Wärmeaustauscher
und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmeaustauschers und auf den mit diesem Verfahren hergestellten Wärmeaustauscher, im besonderen einen Wärmeaustauscher des Typs, der eine Anzahl Rohre und Endplatten als Bauelemente für den darin erfolgenden Wärmeaustausch hat. Zum Herstellen dieses Wärmeaustauschertyps mit Bohren und Endplatten ist es erforderlich, diese so zusammenzubauen, daß Fluidumwege gebildet werden, zwi-

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sehen denen Wärme ausgetauscht wird, und daß diese Wege vollständig abgedichtet werden. Die Erfindung ermöglicht die erfolgreiche Herstellung eines solchen Wärmeaustauschertyps im Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren, die Verschweißung oder Hartverlötung der Rohre mit den Endplatten zur Abdichtung der Wege erfordern. Ein gedrängter Wärmeaustauscher mit vollkommenen Abdichtungen wird erfindungsgemäß ohne lästige und mühevolle Schweiß- und Hartlötarbeiten erhalten.

Der Wärmeaustauschertyp, der eine Anzahl.Rohre und Endplatten hat und in dem Wärme haup.tsächlich durch die Rohre ausgetauscht wird, ist bei Verwendung in einer elektrischen Klima- oder Luftkonditionierungsanlage, einem Gaskessel und anderen Wärmeaustauschgeräten sehr beliebt. Bei den Herstellungsstufen eines solchen Wärmeaustauschertyps ist es bekannt, jede Rohrspitze in in die Endplatte gebohrte Löcher einzusetzen und dann den Umfangsteil der Spitzen mit der Endplatte zu verschweißen, um von den Rohren und den Endplatten gebildete Fluidumwege abzudichten. Das Verschweißen der Rohre mit den Endplatten kostet jedoch viel Mühe und erfordert lästige und beschwerliche Arbeiten, im besonderen, wenn es sich um einen kleinen Wärmeaustauscher handelt·

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Andererseits ist es auch bekannt, daß nach dem Einsetzen der Rohrspitzen in die Löcher die Spitze zwangsläufig nach außen erweitert wird.

Die Ausweitung der Spitze macht das Schweißen oder Hartlöten leicht, ermöglicht jedoch nicht die notwendige Abdichtung für den Wärmeaustauscher und erfordert im wesentlichen zusätzliche Schweiß- oder Hartlötarbeiten.

Daher fehlt dem Wärmeaustauschertyp mit einer Anzahl Rohre die Bemessungsgenauigkeit, da er hoher Temperatur während des Schweißens ausgesetzt ist, sowie die Möglichkeit wirtschaftlicher Fertigung infolge der erforderlichen mühevollen und unangenehmen Arbeiten.

Die Erfindung berücksichtigt die oben erwähnten Mangel der bekannten Technik und offenbart ein erfolgreiches Verfahren, bei dem ein solches unerwünschtes und beschwerliches Schweißen oder Hartlöten nicht erforderlich ist und mit dem ein leistungsfähiger Wärmeaustauscher hergestellt wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Vereinfachung der Herstellung von Wärmeaustauschern mit einer Anzahl Rohre

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und Endplatten ohne Mühe beim Schweißen oder Hartlöten. Zur Aufgabe der Erfindung gehört die Schaffung eines gedrängten Wärmeaustauschers fait Bemessungsgenauigkeit und vollständiger Abdichtung. Weiterhin gehört zur Aufgabe der Erfindung die Vergrößerung der Wirkungsoberflächen für den Wärmeaustausch je Einheit.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschern mit Rohren als Wärmeaustauschelementen die Schritte umfaßt, daß jeder Spitzen- oder Endteil der Rohre in in eine Endplatte gebohrte Löcher eingesetzt und die Endplatte plastischer Verformung unterworfen wird, die durch Pressen auf den Umfang der Endplatte erfolgt, und dadurch, daß der Wärmeaustauscher eine Endplatte, die durch auf den Umfang der Endplatte plastischer Verformung unterworfen ist, und Rohre aufweist, die in den in die Endplatte.gebohrten Löcher so verformt sind, daß der Durchmesser an dem in die Löcher eingesetzten Spitzen- oder Endteil kleiner als der Durchmesser an dem anderen Teil der Rohre ist.

Erfindungsgemäß wird ohne lästige und beschwerliche Schweiß- oder Hartlötarbeiten ein Wärmeaustauscher erhalten, der gedrängt ausgebildet ist und vollkommene Abdichtungen

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hat. Außerdem ermöglicht der Wärmeaustauscher leistungsfähigen Wärmeaustausch zwischen hindurchströmenden Fluida, weil er mehr Oberfläche zum Wärmeaustausch je Volumeneinheit verglichen mit durch herkömmliche Verfahren hergestellten Wärmeaustauschern hat, bei denen die Gesamtzahl und der Raum der in einer Endplatte angeordneten Rohre wegen der Befürchtung begrenzt sind, daß die Endplatte oder die Rohre bei ihrer Verschweißung oder Hartverlötung verschlechtert werden könnten. Bei einem erfindungsgemäß konstruierten Wärmeaustauscher kann nämlich das Verhältnis des Gesamtraumes der Locher zu dem in der Endplatte verbleibenden Rest des Raumes und infolgedessen die Gesamtoberfläche zum Wärmeaustausch der Rohre" vergrößert werden, da nutzloser Raum zum Schweißen und Hartlöten in der Endplatte nicht erforderlich ist. ■'■■-. ' - ·

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Ansichten eines Wärmeaustauschbauelementes, das aus einer Anzahl Rohre und Endplatten hergestellt ist, sowie "-■"-■■ die charakteristischen Schritte der Erfindung;

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Fig. 3, 4- und 6 teilweise als Schnitt dargestellte Ansichten von Ausführungsformen der Wärmeaustauscher nach der Erfindung;

Fig. 5 eine teilweise als Schnitt dargestellte Ansicht der in Fig. 6 gezeigten Ausführungaform, wobei jedoch, eine konstruktive Anordnung dargestellt ist, bevor die Endplatten plastischer Verformung unterworfen werden;

Fig. 7 "bis 10 schematische Ansichten der anderen Ausführungsformen von Wärmeaustauschern sowie bevorzugte, auf der Erfindung beruhende Schritte.

Fig. Λ und 2 veranschaulxchen den Grundgedanken des Verfahrens nach der Erfindung zum Herstellen von Wärmeaustauschern, wobei jeder Schritt der Erfindung entsprechend beschrieben wird.

Eine Anzahl Rohre 2, durch die Wärme hauptsächlich ausgetauscht wird, sind parallel zueinander angeordnet. Die Enden der Spitzen der Rohre 2 werden in in Endplatten 1 gebohrte Löcher eingesetzt, und die Endplatten 1 werden durch Pressung auf ihren Umfang plastischer Verformung unterworfen. Während die Umfange der Endplatten 1 gepreßt werden, ist die Kraft für die plastische Verformung von der Außenseite auf die Mitte der Endplatten 1 gerichtet und wird mit bekannten

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Geräten erzeugt, z.B. mit einer Rotationsgesenkdrückmaschine, einem hydraulischen Hammer und dgl., wodurch ermöglicht wird, konstant auf die Umfange der Endplatten 1 zu drücken und auf diese intermittierende Kraft auszuüben. X symbolisiert die Kräfte für die plastische Verformung. Die in die Endplatten 1 gebohrten Löcher vermindern sich in ihrem Durchmesser beim Fortschreiten der plastischen Verformung. Infolgedessen werden die in die Löcher eingesetzten Spitzen oder Enden so verformt, daß der Durchmesser der Spitzen kleiner ist als der Durchmesser an den anderen Teilen der Rohre 2 und daß Umfangsflächen der Spitzen zwangsläufig mit den Innenflächen der Löcher in Berührung kommen.

Fig. 2 zeigt ein Varmeaustauschbauelement, dessen Endplatten plastischer Verformung unterworfen wurden. Das oben erwähnte Wärmeaustauschbauelement ermöglicht, von den Rohren 2 und den Endplatten 1 begrenzte Fluidumwege zu bilden und die Spielräume, die zwischen den Umfangsflachen der Spitzen und den Innenflächen der Löcher bestanden, ohne Schweißen oder Hartlöten abzudichten.

Fig. 3 zeigt einen Wärmeaustauscher, der das mit den oben erwähnten Schritten zusammengebaute Wärmeaustausch-

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bauelement enthält. Das Värmeaustauschbauelement ist in einem zylindrischen Körper 4- angeordnet, auf dessen umgebende Oberfläche Düsen oder Ansatzrohre 5» 6 geschweißt sind. Der zylindrische Körper 4- ist auch mit den Umfangen der Endplatten 1 durch Erhitzen, wie Lichtbogen- oder Widerstandsschweißen in inerten Gasen, Elektronen- oder Laserstrahlschweißen, verschweißt. Y bezeichnet die geschweißten Teile des zylindrischen Körpers 4.

Durch das Schweißen werden zwei Fluidumwege hergestellt, die entsprechend geteilt sind. Einer der Fluidumwege ist so ausgebildet, daß er sich innerhalb der Rohre und in Räumen befindet, die von den Endplatten 1 innerhalb des zylindrischen Körpers begrenzt sind, wo die Rohre nicht angeordnet sind. Der andere Fluidumweg ist so ausgebildet, daß er Räume in dem zylindrischen Körper und außerhalb der Rohre 2 und auf der Innenseite der Düsen oder Ansatzrohre 5, 6 bildet. Fluida mit unterschiedlichen Temperaturen fließen unabhängig in jedem Fluidumweg, und Wärme wird hauptsächlich durch die Rohre 2 ausgetauscht.

Fig. 4- zeigt einen anderen Wärmeaustauscher, bei dessen Herstellung die in Fig. 1 und 2 beschriebenen Schritte angewandt werden. Außer den Endplatten 1 sind Hilfsend-

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platten 7 neben den Endplatten 1 vorgesehen, und die Rohre 2 sind in die Löcher eingesetzt, die sowohl in die Endplatten 1 als auch in die HiIfsendplatten 7 eingefügt sind. Die Kraft für die plastische Verformung wird auch auf die Umfänge der Endplatten 1 und der Hilfsendplatten 7 ausgeübt. Nachdem die plastische Verformung erfolgt ist, wird das Wärmeaustauschbauelement maschineller Bearbeitung unterworfen und so geformt, daß es einen Schraubenkopf hat und Kerbteile 9 erhält. Ein zylindrischer Körper 4 mit Düsen oder Ansatzrohren 5» 6 wird an den Endplatten 1 angebracht, so daß seine Enden mit den Kerbteilen 9 zusammenpassen. Wie später beschrieben wird, wird erfolgreiche Abdichtung zwischen den Rohren 2 und den Ehdplatten 1,7 erhalten, weil eine Anzahl Endplatten 1, 7 für eine Gruppe von Spitzen oder Enden konzentrierte Kräfte erzeugen, die bestimmte Teile in den Spitzenteilen diskontinuierlich pressen können.

Fig. 5 und 6 zeigen einen anderen Wärmeaustauscher, bei dessen Herstellung die bei Erläuterung der Fig. 1 und 2 beschriebenen Schritte angewandt wurden. Bevor die Endplatten 1 plastischer Verformung unterworfen werden, werden Kerben 10 auf den Umfangen der Endplatten 1 gebildet, und die Endplatten und die Rohre 2, deren Enden oder Spitzen in die in die Endplatten 1 gebohrten Löcher eingefügt sind, werden

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in einem zylindrischen Körper 4· mit Düsen oder Ansatzrohren 5i 6 angeordnet. Nachdem die Endplätten 1 und die Rohre 2 in geeigneter Weise in dem zylindrischen Körper 4-untergebracht sind, wird die Kraft für plastische Verformung, die auf die Außenfläche des zylindrischen Körpers drückt, auf die Endplatten 1 durch den entsprechenden Teil des zylindrischen Körpers ¹Y hindurch ausgeübt. Die Kraft bewirkt Verformung der entsprechenden Teile und der Endplatten 1. Der zwischen den Endplatten 1 und dem Zylindrischen Körper 4 belassene Spielraum vermindert sich und wird mit fester Anlage an den Kerben (10) abgedichtet, während die Endplatten 1 so verformt werden, daß sie die Rohre 2 durch Ausübung der Kraft erfassen. Außerdem wird wirksamere Abdichtung dadurch ermöglicht, daß Abdichtungsmaterialien, wie Gummi, zwischen den Umfangen der Endplatten 1 und der Innenfläche des zylindrischen Körpers 4- angebracht werden. Die Enden des zylindrischen Körpers 4 bilden Düsen oder Stutzen 11 , 12.

Fig. 7 bis 10 zeigen die anderen Ausführungsformen, bei denen der Gedanke der Ausübung von Kraft durch den zylindrischen Körper 4- hindurch angewandt ist.

In der in Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungs-

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form sind Nuten 13 auf der Innenfläche des zylindrischen Körpers 4 vorgesehen. Wenn die Kraft zur plastischen Verformung von den Außenseiten des zylindrischen Körpers 4 ausgeübt wird, werden die Endplatten so verformt, daß sich ihr Durchmesser vermindert und ihre Dicke vergrößert. Die Verformungen in Richtung der Dicke sind in Fig. 7 und 9 mit Χ., bezeichnet und bewirken die Erweiterung der Dicke entsprechend der Druckkraft X. Als Ergebnis der Ausweitung werden die Umfange der Endplatten 1 innerhalb der Nuten 13 befestigt, Fig. 8 zeigt die Endplatten 1, die in dem zylindrischen Körper" 4-" verformt und durch die Nuten 13 befestigt sind. "

In der Ausführungsform nach Fig. 9 und 10 sind zwei nebeneinander angeordnete Endplatten 1, 7 derart vorgesehen, daß sie die Spitzen- oder Endteile der Rohre 2 erfassen. Die auf die entsprechenden Umfange der zwei Endplatten 1, 7 ausgeübten Kräfte bewirken das Auftreten der Ausweitungen in Richtung der Dicke und das Auftreten von Zusammenpressung zwischen den zwei Endplatten 1, 7> wobei diese Zusammenpressung auch mit X^ bezeichnet ist. Die Zusammenpressung ermöglicht, diskontinuierliches Pressen der speziellen Teile 14 in den Spitzen- oder Endteilen und extr.em sichere Abdichtung der Fluidumwege.

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Beispiel

Ein Wärmeaustauscher wird hergestellt aus nichtrostenden Rohren mit 5i5 mm Durchmesser und 0,3 mm Dicke, nichtrostenden Endplatten mit 20 mm Durchmesser und 15 mi Dicke und einem nichtrostenden zylindrischen Körper mit 21 mm Durchmesser und 0,5 mm Dicke.

Die Endplatten wurden plastischer Verformung gemäß den in der Ausführungsform nach Fig. 5 und 6 beschriebenen Schritten unterworfen, und eine Rotationsgesenkdrückmaschine wurde zur plastischen Verformung verwendet, und die Endplatten wurden unter Druck von 4000-6000 kg/cm verformt.

In dem Drucktest wurde der obige Wärmeaustauscher einer Ausführbarkeitsprüfung derart unterzogen, daß er

einen Druck von 20 kg/cm ohne jede Sickerung aushielt.

Wie oben erwähnt, wird ein solcher Wärmeaustauscher, der eine Mehrzahl Rohre und Endplatten hat, erfolgreich, leicht und genau gemäß der Erfindung hergestellt. Weiterhin ist der gemäß den charakteristischen Schritten der Erfindung hergestellte Wärmeaustauscher gedrängt ausge-

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bildet und genügend genau, um den Wärmeaustauschwirkungsgrad zu erhöhen, da bei ihm keine schwierigen Probleme bei seiner Herstellung auftreten wie bei einem Wärmeaustauscher, dessen Endplatten und Rohre durch Schweißen oder Hartlöten verbunden werden.

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Claims

Patentansprüche

1. !Verfahren zum Herstellen von Wärmeaustauschern, die eine Mehrzahl Rohre als Wärmeaustauschelement und Endplatten haben, dadurch gekennzeichnet, daß

jeder Spitzen- oder Endteil der Rohre in in die Endplatten gebohrte Löcher eingesetzt wird und

daß die Endplatten plastischer Verformung unterworfen werden, die durch Pressen auf die Umfange der Endplatten erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre und die Endplatten in einem zylindrischen Körper angebracht werden, bevor die Endplatten der plastischen Verformung unterworfen werden, und daß Kraft für die plastische Verformung durch den zylindrischen Körper hindurch ausgeübt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spitzen- oder Endteil der Rohre in Löcher eingesetzt wird, die in eine Anzahl von nebeneinander befindlichen, einander zugewandten Endplatten gebohrt sind, und daß Kräfte für die plastische Verformung entsprechend

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auf die Umfange der nebeneinanderliegenden Endplatten ausgeübt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kerbe auf den Umfangen der Endplatten gebildet wird, bevor die^s Endplatten in den zylindrischen Körper gebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nut auf der Innenfläche des zylindrischen Körpers gebildet wird, bevor die Endplatten in dem zylin- · drisehen Körper angeordnet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der plastischen Verformung unterworfenen Endplatten mit dem zylindrischen Körper'verschweißt werden, nachdem die Endplatten und die Rohre in den zylindrischen Körper gebracht worden sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatten maschineller Bearbeitung unterworfen werden, nachdem sie plastische Verformung erfahren haben.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich-

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net, daß ein Dichtungsmaterial zwischen den Umfangen der Endplatten und der Innenfläche des zylindrischen Körpers gebracht wird, bevor die Endplatten plastischer Verformung unterworfen werden.

9. Warmaustauscher mit einer Anzahl Rohre als Värmeaustauschbauelement und mit Endplatten, gekennzeichnet durch:

eine Endplatte, die plastischer Verformung durch Pressen auf ihren Umfang unterworfen wurde, und

Rohre, die innerhalb der in die Endplatte gebohrten Löcher so verformt sind, daß der Durchmesser an dem in die Löcher eingesetzten Spitzen- oder Endteil kleiner als der Durchmesser an dem anderen Teil der Rohre ist.

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