DE3215381A1

DE3215381A1 - Verfahren zur herstellung von waermetauscherrohren

Info

Publication number: DE3215381A1
Application number: DE19823215381
Authority: DE
Inventors: Dieter 3002 Wedemark Müller; Douglas With 06798 Washington Conn. Rowell; Friedrich 3012 Langenhagen Schatz; Gerhard Dr.-Ing. Ziemek
Original assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Current assignee: Kabelmetal Electro GmbH
Priority date: 1982-04-24
Filing date: 1982-04-24
Publication date: 1983-10-27
Also published as: JPS58188527A; US4506135A; GR70733B

Description

-M-

kabelmetal electro

Gesellschaft mit beschränkter Haftung

20. April 1982 E 1-1855

Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherrohren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherrohren definierter Länge, insbesondere Absorberrohren für Solarkollektoren, aus einem Metallrohr mit einer die Rohroberfläche vergrößernden Tangentialfläche, die aus einem der Rohroberfläche zugeführten und mit dieser verschweißten Metallband gebildet wird.

Durch die zunehmende Verknappung und Verteuerung von Primärenergie, wie Erdöl, Kohle, Erdgas usw. gewinnt die Ausnutzung von Niedertemperaturwärme, wie Abwärme, Wärme aus der Umgebungsluft und der Globalstrahlung zunehmend an Bedeutung. Dabei kommt es in entscheidendem Maße auf die Ausbildung des die Wärme aufnehmenden Wärmetauschers an, durch den der Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit der installierten Anlage wesentlich beeinflußt wird. Beim Bau von Solarkollektoren ist es bereits bekannt, die das Wärmeträgermedium führenden Rohre zwischen einer Wärmedämmschicht und einer strahlendurchlässigen Schicht anzuordnen. Bisher sind hierfür allerdings nur Rohre ohne Mittel zur Oberflächenvergrößerung vorgesehen worden.

Bekannt ist auch ein Wärmerohr (DE-GM 73 45 819), bei dem das Wärmeleitrohr und die Absorbtions- bzw. Emissionsfläche eine integrierte Einheit bilden. Derartige, nur durch Strangpressen hergestellte Systeme lassen eine wirt-

• ft

»3

schaftliche Herstellung nicht zu.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zu finden, SJäraetauscherrohre mit vergrößerter Oberfläche wirtschaftlich herzustellen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß das Metallband einem kontinuierlich einlaufenden nahtlosen oder längsnahtgeschweißten Rohr beliebiger Länge zugeführt und auf dessen Oberfläche mittels Durchschweißung mit in der Höhe alternierendem Schweißstrom in Längsrichtung auf der Oberfläche festgelegt wird, und daß nach einer ggf. anschließend erfolgenden Oberflächenbehandlung der Band- und/oder Rohroberfläche die gewünschten Fertigrohrlängen abgetrennt werden.

Hierdurch ist es möglich, Wärmetauscherrohre im kontinuierlichen Verfahren in praktisch jeder beliebigen Länge herzustellen, die - wenn man zu längsnahtverschweißten Rohren übergeht - noch zu einer wesentlichen Verminderung des Metergewichts führen. Dadurch, daß die durch das zugeführte Metallband gebildete Tangertialflache mit der Rohrwandung metallurgisch verbunden ist, ist ein guter Wärmeübergang von der Tangentialfläche auf das im Rohr strömende Wärmeträgermedium gewährleistet. Durch die Verwendung eines alternierenden Schweißstromcs während des kontinuierlichen Herstellungsverfahrens ist es ohne Schwierigkeiten möglich, an den Stellen, an denen später die Rohrenden entstehen und die von der Tangentialfläche treien Stellen, die an die Sammelrohre eingelötet werden, lediglich eine vorläufige Verbindung zwischen Rohr und Band herzustellen, die im weiteren Arbeitsablauf leicht wieder gelöst werden kann.

Die Forderung einer leichten Trennung des mit den Rohr verbundenen Bandes steht im unmittelbaren Gegensatz zu der anderen Forderung, einen möglichst guten Wärmeübergang zwischen Band und Rohr durch eine möglichst breite und innige Verbindung zwischen Rohroberfläche und Band zu erzielen. In Durchführung des Erfindungsgedankens wird dies dadurch erreicht, daß der Schweißstrom beim Durchlaufen der durch die vorgegebene Fertigrohrlänge definierten Bereiche der späteren Rohrenden sein Minimum aufweist. So kann nach wie vor der Fertigungsablauf kontinuierlich erfolgen, das Band wird mit der Rohroberfläche fest verbunden, mit Ausnahme der vorher einzustellenden Bereiche,

.:f^:t "U-^:ivO.::; 3215331

an denen zur Herstellung der Anschlußmöglichkeit das Band wieder entfernt werden muß.

Vorteilhaft ist es in Weiterführung der Erfindung ferner, wenn das kontinuierlich einlaufende Rohr vor der Verbindung mit dem Metallband im Durchlauf gerichtet wird. Auf diese Weise ist eine exakte Führung der Rohroberfläche in dem Augenblick gewährleistet, wo das Metallband zur Verschweißung mit der Rohroberfläche auf diese aufgelegt wird.

Die Entfernung des Bandes in den angesprochenen Bereichen kann dadurch erfolgen, daß nach dem Abtrennen der Fertigrohrlängen das Metallband im Bereich der Rohrenden ausgesägt oder ausgestanzt und der an der Oberfläche befindliche Rest maschinell oder von Hand abgestoßen wird. Eine andere Möglichkeit ist die, das Band bereits vor dem Abtrennen der Fertigrohrlängen durch Ausstanzen oder Aussägen zu entfernen und die Endvorbereitung der Rohrenden schließlich nach dem Ablängen vorzunehmen.

Um der Forderung eines guten Wärmeüberganges zwischen Band und Rohr gerecht zu werden, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, im Bereich der maximalen Schweißstromstärke die Breite der durch das Metallband und die berührende Rohrwandung gebildete Schmelzzone etwa das 1,2- bis 2,5-fache, vorzugsweise das 1,5- bis 2,0-fache, der Banddicke betragen zu lassen.

Wird- wie in Weiterführung der Erfindung auch vorgesehen - beispielsweise im Falle Argonarc-Verschweißung-die Schweißelektrode negativ gepolt, dann sollte der Elektrodenabstand zur Optimierung des Wärmeüberganges an der Verbindungsstelle zwischen Rohr und Metallband 0,15 bis 1,20 mm, vorzugsweise 0,2 bis 1,0 mm, betragen.

Nach dem Schweißvorgang kann - wie bereits ausgeführt - das Metallband leicht ausgestanzt und ohne Rückstand praktisch vom Rohr wieder entfernt werden. Damit ist durch die Erfindung erreicht, daß die abgetrennten Rohre ohne weitere Zwischenbehandlung beispielsweise mit den Sammelrohren eines Wärmetauschers unmittelbar verbunden werden können. Die Oberfläche des Wärmetauscherrohres kann auf einfachem Weg dadurch vergrößert werden, daß die Bandoberfläche durch Auswalzen beispielsweise unmittelbar im Anschluß an den Schweißvorgang ver-

größert wird. Der gleiche Effekt wird erreicht, wenn in Weiterführung der Erfindung das Metallband ein- oder beidseitig aufgerauht wird. Die Wärmeaufnahmefähigkeit des Bandes kann auch verbessert werden, wenn man die Oberfläche ein- oder beidseitig einer chemischen Behandlung unterwirft, wenn sie also beispielsweise schwarz verchromt oder auch mit einem geeigneten Farbanstrich versehen wird. Alle diese Maßnahmen sind geeignet, die Aufnahmefähigkeit für die von der Umgebung gelieferte Energie weiter zu verbessern.

Eine v/eitere vorteilhafte Fertigungsmöglichkeit besteht darin, daß in einem kontinuierlichen Arbeitsablauf zunächst aus einem Metallband ein Schlitzrohr geformt und die Kanten des Bandes miteinander verschweißt werden und daß anschließend das als Tangentialfläche dienende Band mittels Durchschweißen an der Rohroberflache befestigt wird. Mitunter kann es vorteilhaft sein, das Metallband in einem schweißnahtfreien Bereich an der Rohroberfläche zu befestigen, dies kann leicht dadurch geschehen, daß das Rohr gedreht bzw. das Metallband geneigt zur Horizontalen geführt wird. Für das.Rohr selbst als auch für die Tangentialfläche hat sich ein Kupferband dünner Wanddicke von 0,2 bis 2,0 mm, vorzugsweise 0,6 bis 1,5 mm, als günstig erwiesen. Dieses Material läßt sich einwandfrei verschweißen und weist bei einer ausreichenden Festigkeit sehr gute Wärmeübertragungseigenschaften auf.

Die Verschweißung des Bandes mit der Rohroberfläche und ggf. auch die Verschweißung der Bandkanten des Schlitzrohres erfolgt durch elektrisches Lichtbogenschweißen unter Schutzgas. Insbesondere bei dünnen Wanddicken hat sich dieses Verfahren als geeignet erwiesen, die Werkstoffoberfläche wird vor Oxidation geschützt. Dadurch, daß bei diesem Verfahren zweckmäßigerweise mit nichtöbschinelzender Elektrode gearbeitet wird, besteht der Bereich der Schweißnaht EUS dem gleichen Material wie das Rohr und das Metallband.

Bei einem kontinuierlich/oder längsnahtgeschweißten Fertigrohr ist es zweckmäßig, wenn, dieses Rohr zunächst gerichtet wird. Um diesen und andere Bearbeitungsvorgänge in kontinuierlichem Ablauf durchführen zu können, besteht die Verrichtung nach der Erfindung aus einer Rollenrichtvorrichtung für das einlaufende Glattrohr, einem nachgeschalteten Spannzangenabzug sowie einer daran anschließenden Schweißvorrichtung mit Schweißstromsteuerung für das als Tangentialfläche zugeführte Metallband. Die Rollenrichtvorrichtung besteht in Weiterführung des Erfindungsgedankens aus vertikal und horizontal der Rohr-

*) einlaufenden nahtlosen

oberfläche zugeordneten Rollenpaaren.

Wird- wie in Durchführung der Erfindung auch vorgesehen - ein längsnahtgeschweißtes, dünnwandiges Rohr für den Medientransport eingesetzt, dann besteht die Vorrichtung für das Verfahren aus einer Hintereinanderschaltung einer ein Metallband zum Schlitzrohr formenden Formvorrichtung z. B. aus mehreren Rollenpaaren und einer anschließenden Schweißvorrichtung sowie einem nachgeschalteten Spannzangenabzug. Hieran schließt sich eine Schweißvorrichtung mit Schweißstromsteuerung für das als Tangentialfläche dienende Metallband und ggf. schließlich eine das Rohr ablängende, in Bewegungsrichtung verfahrbare Trenn- und/oder Ausstanzvorrichtung an.

Die Erfindung sei anhand der in den,Figuren 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt die Herstellung eines Wärmetauscherrohres, bei dem ein von einem nicht dargestellten Vorrat ablaufendes Kupferband 1 von beispielsweise 0,6 mm Wanddicke nach dem Besäumen der Kanten und ggf. nach einem Entfettungsvorgang in einem aus Rollensätzen bestehenden Formwerkzeug 2 zu einem Schlitzrohr geformt wird. Dem Formwerkzeug unmittelbar nachgeschaltet ist ein Formring 3, der das Schlitzrohr schließt und die Bandkanten in ihrer Stellung einander gegenüber festhält, bevor mittels der Elektrode 4 einer elektrischen Lichtbogenschweißeinrichtung, die unter Schutzgas arbeitet, die Bandkanten verschweißt werden.

Das so hergestellte dünnwandige Rohr 5 wird durch den Spannbacken- oder Spannzangenabzug 6 mit abgezogen. Im Anschluß daran wird ein Kupferband 7, das von dem Vorrat 8 abgezogen und im Winkel dem Rohr 5 zugeführt wird, mittels der Rolle 9 achsparallel auf die Rohroberfläche aufgelegt und mittels der Elektrode 10 durch Durchschweißen das Band mit dem Rohr metallurgisch verbunden.

Die nachgeschaltete, schematisch dargestellte Vorrichtung 11 sorgt für eine Vergrößerung der Oberfläche des aufgeschweißten Bandes, beispielsweise durch Auswalzen, insbesondere im Kantenbereich, oder aber durch eine chemische Behandlung oder einen Farbanstrich zur Verbesserung des Wärmeaufnahmevermögens.

Mit 12 ist eine von einem Motor 13 angetriebene Ablängvorrichtung in Form einer Kreissäge bezeichnet, mit deren Hilfe vorbestimmte Längen fortlaufend abge-

trennt und der nachgeschalteten Stanzvorrichtung 14 zugeführt werden. Diese Vorrichtung 14 dient dazu, im Bereich der Rohrenden für eine Entfernung des Bandes zu sorgen, damit das Rohr anschließend ohne weitere Vorbereitung in das Wermetauschersystem, z. B. durch Einlöten, eingefügt werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt die Fig. 2. Hierbei läuft ein von einem nicht dargestellten Vorrat abgezogenes nahtloses oder längsnahtgeschweißtes Kupferrohr 15 in eine Rollenrichtvorrichtung ein, die im wesentlichen aus den vertikal angeordneten Rollenpaaren 16 und den nach^geschalteten horizontal angeordneten Rollenpaaren 17 gebildet wird. Das so im Durchlauf gerichtete Rohr 15 durchläuft anschließend den Spannzangen- oder -backenabzug 18 und wird im noch gerichteten Zustand der schematisch dargestellten Schweißvorric ltung 19 zugeführt, dessen Schweißstrom alternierend steuerbar ist. Mit deren Hilfe wird das als Tangentialflache dienende und vom Vorrat 20 abgezogene ,vorteilhaft aus Kupfer bestehende Band 21 auf der Oberfläche des Rohres 15 mittels Durchschweißung festgelegt. Die weiteren Verfahrensschritte können dann, wie anhand der Fig. 1 beschrieben, durchgeführt werden.

Ein nach den Verfahren nach den Fig. 1 oder 2 hergestelltes Wärmetauscherrohr zeigt die Fig. 3. Das Band 22 mit einer Banddicke t = 0,6 mm ist auf dem Rohr 23 über die Schweißnaht 24 verbunden. Zur optimalen Wärmeübertragung ist di9 Breite der Schweißnaht bzw. der Bereich der Schmelzzone s so gewählt, daß er beispielsweise das 1,5- bis 2,0-fache der Banddicke t ausmacht.

Die Fi:]. 4 zeigt die Anordnung des Rohres 23 sowie des Bandes 22 beim Durchlauf djrch die Schweißvorrichtung, die hier durch die schematisch angedeutete Schweißelektrode 25 veranschaulicht ist. Diese Elektrode ist beispielsweise negativ gepolt und der Abstand von der Bandoberfläche zur Elektrodenspitze, hier m-t χ bezeichnet, beträgt vorzugsweise 0,2 bis 1,0 im.

Damit die Entfernung des Bandes an den späteren Rohranschlüssen oder Rohrenden ohne Schwierigkeiten erfolgen kann, ist - wie nach der Erfindung vorgesehen - der Schweißstrom so zu steuern, daß die Schweißelektrode mit einem alternierenden Schweißstrom beaufschlagt wird. Diese Maßnahme veranschaulicht die Fi'j. 5, bei der oberhalb des Rohres 23 bzw. des Bandes 22 der Verlauf des SchweiBstromes angegeben ist. Bei der vollen Stromstärke von beispielsweise

150 A erfolgt eine Durchschweißung des Bandes 22 und eine innige metallurgische Verbindung mit der Rohroberfläche, im anschließenden Bereich η wird die Stromstärke - wie dargestellt - auf etwa 50 A abgesenkt. Das hat zur Folge, daß der Lichtbogen auf dem Band 22 zwar stabil bleibt und nicht abreißt, daß die Verbindung zwischen Band 22 und Rohr 23 aber nur oberflächlich ist und daher leicht bei dem anschließenden Ausstanzvorgang wieder entfernt werden kann. Die Befestigung des Bandes auf dem Rohr ist in den Bereichen η so zu wählen, daß das Band auf dem Rohr gerade noch festgehalten wird und damit für den Schneid- oder Stanzvorgang noch ein stabiles Material vorliegt. Während des anschließenden konstanten Bereiches m und deren maximaler Stromstärke erfolgt wieder eine innige Verbindung zwischen Rohr 23 und Band 22. Die Ablängung des fertigen Wärmetauscherrohres erfolgt im Bereich η minimaler Stromstärke, so daß im dargestellten Ausführungsbeispiel die Rohrlänge dem Bereich ο entspricht.

In der Fig. 6 schließlich ist ein aus dem Rohr 23 und dem Band 22 bestehendes Wärmetauscherrohr dargestellt, das an seinem Ende 26 von dem Band 22 befreit und in das Sammelrohr 27 an der Stelle 28 eingelötet ist. Weitere eingelötete Wärmetauscherrohre, hergestellt nach der Erfindung, bilden dann den Gesamtwärmetauscher.

Claims

kabelmetal electro

Gesellschaft mit beschränkter Haftung

20. April 1982 E 1-1855

Patentansprüche

M.jVerfahren zur Herstellung von Wärmetauscherrohren definierter Länge, insbesondere Absorberrohren für Solarkollektoren, aus einem Metallrohr mit einer die Rohroberfläche vergrößernden Tangentialflache, die aus einem der Rohroberfläche zugeführten und mit dieser verschweißten Metallband gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallband einem kontinuierlich einlaufenden nahtlosen oder längsnahtgeschweißten Rohr beliebiger Länge zugeführt und auf dessen Oberfläche mittels Durchschweißung mit in der Höhe alternierendem Schweißstrom in Längsrichtung auf der Oberfläche festgelegt wird, und daß nach einer ggf. anschließend erfolgenden Oberflächenbehandlung der Band- und/oder Rohroberfläche die gewünschten Fertigrohrlängen abgetrennt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kontinuierlich einlaufende Rohr vor der Verbindung mit dem Metallband im Durchlauf gerichtet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrom beim Durchlaufen der durch die vorgegebene Fertigrohrlänge definierten Bereiche der späteren Rohrenden sein Minimum aufweist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Abtrennen der Fertigrohrlängen im Bereich der Rohrenden das Metallband durch Ausstanzen, Aussägen und dergleichen entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Abtrennen der Fertigrohrlängen das Metallband im Bereich der späteren Rohrenden vom Rohr entfernt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bereichen der späteren Rohrenden das Metallband oberflächlich an das Rohr angeheftet wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der maximalen Schweißstromstärke die Breite der durch das Metallband und die berührende Rohrwandung gebildeten Schmelzzone etwa das 1,2- bis 2,5-fache, vorzugsweise das 1,5- bis 2,0-fache, der Banddicke beträgt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei negativ gepolter Schweißelektrode der Elektrodenabstand 0,15 bis 1,20 mm, vorzugsweise 0,2 bis 1,0 mm, beträgt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das mit der Rohroberfläche verschweißte Metallband oberflächenbehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandoberfläche durch Auswalzen unmittelbar nach dem Schweißvorgang vergrößert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der.folgenden, bei dem das mit der Rohroberfläche verschweißte Metallband oberflächenbehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallband ein- oder beidseitig aufgerauht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, bei dem das mit der Rohroberfläche verschweißte Metallband oberflächenbehan'delt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandoberfläche ein- oder beidseitig eingefärbt wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, bei dem ein längsnahtverschweißtes Rohr verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst

die Bandkanten des geformten Schlitzrohres miteinander verschweißt werden und anschließend das Metallband mittels Durchschweißen an der Rohroberfläche, ggf. im schweißnahtfreien Bereich, befestigt wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für das die Rohroberfläche vergrößernde Band und/oder für das das Rohr formende Band eine Banddicke von 0,2 bis 2,0 mm, vorzugsweise 0,6 bis 1,5 mm, verwendet wird.
14. Vorrichtung zur Durchführung.des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Rollenrichtvorrichtung für das einlaufende Glattrohr, einem nachgeschalteten Spannzangenabzug sowie einer daran anschließenden Schweißvorrichtung mit Schweißstromsteuerung für das als Tangentialflache zugeführte Metallband.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine ein längseinlaufendes Metallband zum Schlitzrohr formende Formvorrichtung, eine unter Schutzgas betriebene Lichtbogenschweißeinrichtung, einen nachgeschalteten Spannzangenabzug sowie eine daran anschließende Schweißvorrichtung mit Schweißstromsteuerang für das als Tangentialflache zugeführte Metallband.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß in Durchlajfrichtung hinter der Schweißvorritiitung für die Tangentialfläche eine das Rohr ablängende, in Bewegungsrichtung verfahrbare Trenn- und/oder Ausstanzvorrichtung angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß in Durchlauf richtung hinter der Schweißvorrichtung für die Tangentialfläche eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung und anschließend eine das Rohr ablängende, in Bewegungsrichtung verfahrbare Trenn- und/oder Ausstanzvorrichtung angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollenrichtvorrichtung aus vertikal und horizontal der Rohroberfläche zugeordneten Rollenpaaren besteht.