DE4322405C2

DE4322405C2 - Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherelementen

Info

Publication number: DE4322405C2
Application number: DE4322405A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Trage; Harald Sassmann; Wolfgang Holten; Miroslav Podhorsky
Original assignee: Balcke Duerr AG
Current assignee: Balcke Duerr GmbH
Priority date: 1993-07-06
Filing date: 1993-07-06
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2013-07-07
Also published as: DE4322405A1; ZA944821B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherele menten unter Verwendung des KondensatorEntladungs-Schweißverfahrens mittels einer zugleich als Widerlager dienenden, sich über die gesamte Breite erstreckenden Elektrode und einer mit Druck beaufschlagten Elektrode, die durch mehrere, in einer Reihe nebeneinander angeordnete Einzelelektroden gebildet ist, welche periodisch von der als Widerlager dienenden Elektrode für einen schrittweisen Vorschub der zu verschweißenden Teile abgehoben und für den Schweißvorgang wieder abgesenkt werden.

Ein Verfahren der voranstehenden Art ist aus der DE 33 15 314 A1 bekannt, wobei die Anwendung des dort beschriebenen Kondensator-Entladungs- Schweißverfahrens generell für große Werkstücke vorgeschlagen wird, jedoch auch erwähnt wird, daß es für die Herstellung von Plattenheizkörpern geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren zur Herstellung von röhrförmigen Wärmetauscherelementen mit einem ein- oder zweiteiligen Grundkörper weiterzuentwickeln, der einen zu seiner Höhe eine große Breite aufweisenden Strömungskanal für das eine am Wärmeaustausch beteiligte Medium bildet und zur Vergrößerung der wirksamen Wärmeaus tauschfläche auf seinen flachen Breitseiten mit parallel zueinander verlaufen den Rippen versehen ist, wobei bei einem derartigen Wärmetauscherelement, wie es an sich aus der DE 40 39 292 A1 bekannt gewesen ist, eine verbes serte Wärmeübertragung zwischen Grundkörper und Rippen erzielt werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch ge kennzeichnet, daß zur Herstellung von rohrförmigen Wärmetauscherelementen mit einem ein- oder zweiteiligen Grundkörper, der einen im Verhältnis zu seiner Höhe eine große Breite aufweisenden Strömungskanal für das eine am Wärmeaustausch beteiligte Medium bildet und zur Vergrößerung der wirk samen Wärmeaustauschfläche auf seinen flachen Breitseiten mit parallel zu einander verlaufenden Rippen versehen wird, ein endloses Rippenblech von einer Rolle abgezogen und vor dem Aufbringen auf den Grundkörper durch eine Profiliereinrichtung zur Bildung der Rippen gewellt oder gefaltet wird, daß die hierbei entstandenen Fußbereiche der Rippen durch Einfahren der Einzel elektroden, die scheibenförmig ausgebildet und jeweils unabhängig voneinan der mit einer Andrückkraft beaufschlagt sind, gleichzeitig über die gesamte Breite mit dem Grundkörper verschweißt werden und daß zumindest eine der zu verbindenden Oberflächen am Grundkörper bzw. Fußbereich der Rippen mit einer im Rapport gestalteten Oberflächenstruktur versehen wird.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergibt sich der Vorteil, daß sich beim Zusammenführen von Rippen und Grundkörper die Breitseiten des Grund körperprofils an die Kontur des jeweiligen Rippenfußes spaltfrei anpassen. Die hierzu erforderliche Andrückkraft wird von den beiden Elektroden des Konden sator-Entladungs-Schweißgerätes erzeugt, wobei die eine Elektrode in den Rippenfußbereich zwischen zwei jeweils benachbart angeordneten Rippen einfährt, während die andere Elektrode an der jeweiligen Innenseite des Grundkörpers anliegt und hierbei ein Widerlager bildet. Auf diese Weise ist für eine spaltlose Berührung der zu verbindenden Teile gesorgt, so daß nach er folgter Entladung der Kondensatoren eine linienförmige Befestigung der Rippen auf dem Grundkörper und damit eine sehr gute Wärmeübertragung zwischen diesen Teilen erreicht wird. Da die Verbindung der Rippen mit den Außen seiten des Grundkörpers gleichzeitig über die gesamte Breite des Grundkörpers erfolgt, läßt sich ein besonders zügig arbeitendes Herstellungsverfahren er reichen, welches einen sehr guten Wärmeübergang zwischen Rippen und Grundkörper sicherstellt, zumal vor Durchführung des Schweißvorganges zu mindest eine der zu verbindenden Oberflächen am Grundkörper bzw. Rippen fuß mit einer im Rapport gestalteten Oberflächenstruktur versehen wird. Infolge dieser künstlich erzeugten Oberflächenstrukturen ergeben sich definierte Anlageflächen zwischen Rippen und Grundkörper und damit eine besonders gleichmäßige Schweißverbindung hoher Qualität, weil beim Andrücken der Rippen mit Hilfe der Einzelelektroden zumindest ein Teil der Rillen oder buckelförmigen Erhebungen erfaßt werden und der durch sie hindurch fließende Strom für ein Schmelzen der Erhebungen sorgt, so daß sich zwangsläufig eine Anlage des Rippenfußbereiches über die gesamte Länge der Einzelelektrode ergibt. Überdies wird ein exakt definiertes Wärmeüber tragungsverhalten zwischen den beteiligten Bauteilen erreicht.

Da die parallel zueinander- verlaufenden Rippen durch ein endloses Rippenblech gebildet werden, das von einer Rolle abgezogen und vor dem Aufbringen auf den Grundkörper durch eine Profiliereinrichtung gewellt oder gefaltet wird, lassen sich Wärmetauscherelemente in einem kontinuierlich arbeitenden Ver fahren herstellen, welches ohne Ausstanzen einzelner Rippenbleche aus kommt. Ein aufwendiges und energieverzehrendes Aufschieben einzelner Rippenbleche auf das Grundkörperprofil wird auf diese Weise vermieden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung wird die Oberflächenstruktur durch Rillen oder buckelförmige Erhebungen von 0,1 bis 0,3 mm Höhe gebildet.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung eines auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Verfahrensablaufs zur Herstellung von Wärmetauscherelementen,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der zu verbindenden Teile gemäß Fig. 1
unmittelbar vor dem Zusammensetzen und Verschweißen,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung der zu verbindenden Teile einer zweiten Ausführungsform unmittelbar vor dem Zusammensetzen bzw. Ver schweißen,

Fig. 4 die Einzelteile gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 3 nach dem Zusammen fügen und Verschweißen und

Fig. 5 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie V-V in Fig. 4.

Die Fig. 1 zeigt einen nach Art eines Profils ausgebildeten Grundkörper 1, der durch Rundbiegen der Ränder eines Blechstreifens hergestellt ist. Der Grund körper 1 ist als Halbschale ausgebildet, die sich an eine symmetrisch hierzu ausgebildete, weitere Halbschale ansetzen läßt, um so einen geschlossenen Kanal mit dem Querschnitt eines langgestreckten Ovals zu erhalten. Der Quer schnitt des so aus zwei Halbschalen zusammengesetzten Grundkörpers 1 weist daher eine große Breite im Verhältnis zu seiner Höhe auf. Derartige Grundkörper werden dazu verwendet, innerhalb eines Wärmetauschers eines der beteiligten Medien zu führen.

Das jeweils andere Medium wird im Kreuzstrom hierzu über die Flachseiten des Grundkörpers 1 geführt. Um den Wärmeaustausch zu verbessern, sind zur Vergrößerung der wirksamen Wärmeaustauschflächen auf den jeweiligen Flachseiten 2 des Grundkörpers 1 Rippen 3 angeordnet. Die Rippen 3 werden aus einem endlosen Blech durch wiederholtes Biegen oder Falten hergestellt, so daß, in Längsrichtung des Grundkörpers 1 betrachtet, die Rippen 3 parallel zueinander verlaufen. Die jeweils der Flachseite 2 zugewandten Biegungen bilden dabei Rippenfußbereiche 4, die während eines nachfolgenden Schweiß vorganges mit dem Grundkörper 1 verbunden werden, so daß der Grundkörper 1 mit dem darauf befestigten Rippenblech eine starre Baueinheit bildet. Diese wird schließlich mit der entsprechend ausgebildeten, gegenüberliegenden Baueinheit in den Randbereichen des Grundkörpers 1 verschweißt, so daß ein vollständiges Wärmetauscherelement entsteht.

Das Verschweißen der aus dem Endlosblech geformten Rippen 3 mit dem Grundkörper 1 erfolgt mittels eines Kondensator-Entladungs-Schweißver fahrens. Hierbei handelt es sich um eine spezielle Art des Widerstands schweißens, bei dem die erforderliche Energie während des Schweißens nicht direkt dem Netz über einen Transformator entnommen wird, sondern einer Kondensatorbatterie, die als Energiespeicher außerhalb der Schweißzeit ge laden wird. Der Vorteil des Kondensator-Entladungs-Schweißens besteht in der Eignung zur Verschweißung auch unterschiedlicher Werkstoffe, z. B. Stahl/Aluminium. Außerdem lassen sich mit diesem Verfahren auch ober flächenbehandelte Materialien schweißen, wie z. B. verzinkte oder aluminisierte Bleche, ohne daß es zu einer Beschädigung der Oberfläche kommt.

Das Kondensator-Entladungs-Schweißverfahren verwendet zwei voneinander unabhängige Elektroden 5 und 6. Beim Ausführungsbeispiel ist die obere Elektrode 5 fünffach vorhanden und besteht aus scheibenförmig gestalteten Einzelelektroden aus einem geeigneten Elektrodenwerkstoff, z. B. CuCrZr. Die untere Elektrode 6 ist als Platte ausgebildet, welche sich über die gesamte Breite des Grundkörpers 1 erstreckt und hierbei exakt dessen Innenprofil auf weist. Auf diese Weise dient die unter Elektrode 6 zugleich der Führung des Grundkörpers 1. Insbesondere aber bildet die untere Elektrode 6 ein Wider lager für die von den oberen Elektroden 5 erzeugten Andrückkräfte. Hierzu ist die untere Elektrode 6 in geeigneter Weise unter Zwischenlage einer Isolierung am verwendeten Schweißgerät abgestützt.

Die Ausrichtung der oberen Elektroden 5 ist derart, daß diese mit ihren schmalen Stirnflächen exakt zwischen zwei benachbarte Rippen 3 einfahren können, bis sie an dem dazwischen angeordneten Rippenfußbereich 4 zur An lage gelangen. Federelemente 7 bewirken hierbei eine definierte Andrückkraft, die von der als Widerlager dienenden unteren Elektrode 6 aufgenommen wird. Sobald das vorgegebene Druckniveau erreicht ist, werden die Kondensatoren des Schweißgerätes entladen, wodurch kurzzeitig eine hohe Energie von den oberen Elektroden 5 zu der unteren Elektrode 6 fließt. Infolge der Konzen trierung der Schweißenergie auf die Schweißzone sowie der sehr kurzen Schweißzeit von 1 bis 10 Millisekunden, tritt keine nennenswerte Erwärmung der Bauteile auf. Die fertigen Wärmetauscherteile kommen nach der Ver schweißung praktisch kalt aus der Maschine, bleiben daher formbeständig und zeigen keine Neigung zu Verzug oder Formänderung.

Durch die Verwendung mehrerer unabhängiger oberer Elektroden 5 wird er reicht, daß geringfügige Durchbiegungen ausgeglichen werden und eine linien förmige, durchgehende Verschweißung der Rippen 3 mit der Außenseite 2 des Grundkörpers 1 eintritt.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Grundkörper 1 und Rippen 3 unmittelbar vor deren Zusammenfügen, wobei die zueinander in Kontakt geratenden Oberflächen mit einer im Rapport gestalteten Oberflächenstruktur versehen sind. Beim Aus führungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Außenseite 2 des Grundkörpers 1 mit einer feinen, gleichmäßigen Riffelung 8 mit Rillentiefen von ca. 0,1 bis 0,3 mm versehen. Demgegenüber befindet sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 die im Rapport gestaltete Oberflächenstruktur an der Unterseite der Rippenfußbereiche 4. Diese sind hierzu mit Einprägungen in Gestalt nach unten vorstehender Buckel oder Erhebungen 9 versehen.

Die Wirkung ist bei beiden Ausführungsbeispielen dieselbe: Nachdem die zu verbindenden Teile aufeinanderliegen, findet zunächst ein unmittelbarer metallischer Kontakt zwischen den beteiligten Oberflächen nur im Bereich der betreffenden Erhebungen statt. Hierdurch entstehen hinsichtlich ihrer Lage und Ausdehnung definierte metallische Brücken, über die sich die von den Elektroden 5, 6 freigesetzte Schweißenergie zunächst abbaut. Durch den hier bei schlagartig einsetzenden Schmelzprozeß werden diese Erhebungen abge baut, so daß nach vollständiger Entladung eine besonders gleichmäßige Schweißverbindung entsteht. Diese Schweißverbindung ist erheblich besser als die Verschweißung zufällig aufgerauhter Oberflächen.

Nach Abschluß des Schweißverfahrens nehmen Grundkörper 1 und Rippen 3 die in Fig. 4 dargestellte Lage zueinander ein.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 2 bis 5 besteht das Rippenblech - anders als beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 - nicht aus einem durchgehenden, lediglich gewellten Blech. Vielmehr sind die einzelnen Rippen 3 mit zusätzlichen geometrischen Strukturen versehen, die dazu dienen, das hindurchströmende bzw. vorbeiströmende Medium zu mischen oder Turbulenzen zu erzeugen. Hierzu sind in den Rippen 3 unter anderem seitliche Ausbuchtungen 10 vorgesehen, die sich abwechselnd zur einen oder anderen Seite der jeweiligen Rippe 3 erstrecken. Diese Ausbuchtungen 10 bewirken eine beträchtliche Turbulenzerhöhung des vorbeiströmenden Me dium. Um einen Austausch zwischen dem jeweiligen Rippeninnenraum und dem benachbarten Rippenaußenraum zu erreichen, sind außerdem Öffnungen 11 vorgesehen. Schließlich befinden sich größere Öffnungen 12 im oberen Umlenkbereich der Rippen 3. Auch diese Öffnungen 12 verbessern den Wärmeaustausch. Sie erleichtern überdies die Reinigung der Wärmetauscherflächen.

Bezugszeichenliste

1 Grundkörper
2 Flachseite, Außenseite
3 Rippe
4 Rippenfußbereich
5 Elektrode
6 Elektrode
7 Federelemente
8 Riffelung
9 Buckel, Erhebung
10 Ausbuchtung
11 Öffnung
12 Öffnung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherelementen unter Verwen dung des Kondensator-Entladungs-Schweißverfahrens mittels einer zu gleich als Widerlager dienenden, sich über die gesamte Breite erstrecken den Elektrode (6) und einer mit Druck beaufschlagten Elektrode (5), die durch mehrere, in einer Reihe nebeneinander angeordnete Einzelelektro den gebildet ist, welche periodisch von der als Widerlager dienenden Elektrode (6) für einen schrittweisen Vorschub der zu verschweißenden Teile abgehoben und für den Schweißvorgang wieder abgesenkt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von rohrförmigen Wärmetauscherelementen mit einem ein- oder zweiteiligen Grundkörper (1), der einen im Verhältnis zu seiner Höhe eine große Breite aufweisenden Strömungskanal für das eine am Wärmeaustausch beteiligte Medium bildet und zur Vergrößerung der wirksamen Wärmeaustauschfläche auf seinen flachen Breitseiten (2) mit parallel zueinander verlaufenden Rippen (3) versehen wird, ein endloses Rippenblech von einer Rolle abgezogen und vor dem Aufbringen auf den Grundkörper (1) durch eine Profiliereinrichtung zur Bildung der Rippen (3) gewellt oder gefaltet wird, daß die hierbei entstandenen Fußbereiche (4) der Rippen (3) durch Ein fahren der Einzelelektroden, die scheibenförmig ausgebildet und jeweils unabhängig voneinander mit einer Andrückkraft beaufschlagt sind, gleichzeitig über die gesamte Breite mit dem Grundkörper (1) verschweißt werden und daß zumindest eine der zu verbindenden Oberflächen am Grund körper (1) bzw. Fußbereich (4) der Rippen (3) mit einer im Rapport ge stalteten Oberflächenstruktur versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober flächenstruktur durch Rillen (8) oder buckelförmige Erhebungen (9) von 0,1 bis 0,3 mm Höhe gebildet wird.