DE4402020A1

DE4402020A1 - Verfahren und Anlage zur Herstellung von Wärmetauschern für fluide Wärmeträger

Info

Publication number: DE4402020A1
Application number: DE19944402020
Authority: DE
Inventors: K Handreck; D Werner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-01-20
Filing date: 1994-01-20
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2014-01-21
Also published as: WO1995019857A1; AU1531295A; DE4402020C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anla ge zur Herstellung von Wärmetauschern für fluide Wärmeträ ger gemäß Oberbegriff des 1. Patentanspruches.

Der Begriff Wärmetauscher umschließt im erweiterten Sinne alle Apparate, in denen Wärme von einem fluiden Medium in direkt auf ein anderes übertragen wird. Also Vorwärmer, Verdampfer, Kühler und Kondensatoren.

Der Wärmetausch in den Wärmetauschern folgt den Gesetzen der Wärmeübertragung. Dabei bedient man sich eines strö menden Mediums, das entweder die Wärme transportiert und abgibt oder umgedreht Wärme aufnimmt und transportiert. Die einzelnen Wärmetauschelemente beschränken sich in ihrer anderen Anwendung nicht nur auf Sattdampf als stofflichen Wärmeträger, sondern lassen sich ebenso einsetzen zum Be heizen mit Gasen, Wasser oder anderen Flüssigkeiten sowie auch zum Kühlen und Kondensieren mit Wasser, Sole oder auch Luft.

Die Konstruktionen von Wärmetauschern sind sehr vielfältig, im industriellen Bereich finden sie insbesondere Anwendung in der chemischen Industrie.

Wärmetauscher, die zur Beheizung von Räumen eingesetzt wer den, zeichnen sich insbesondere durch ihre bessere Gestal tungsform aus. Der optimalen Wärmeabgabe kommt eine besonders große Bedeutung zu, weil die Temperaturdifferenzen zwischen Wärmetauscher bzw. sich in dem Wärmetauscher befindlichen Wärmeträger und der Raumtemperatur relativ gering ist.

Wärmetauscher, die zur Raumheizung verwendet werden, oder auch die Wärmetauscher, die im industriellen Bereich einge setzt werden, werden in der Regel aus Stahl, Stahlblech oder Gußeisen gefertigt. Diese, aus diesen Materialien ge fertigten Wärmetauscher sind schwerer, und der Wärme übergang vom Wärmeträger an die umgebenden Atmosphäre ist träger und die Korrosionsanfälligkeit der Materialien höher.

Wärmetauscher, die aus Gußeisen gefertigt sind, halten da gegen bedeutend länger, sind dagegen auch entsprechend schwerer und bei der Montage und auch bei der Herstellung schwer zu Handhaben.

Weniger korrosionsanfällige Materialien wie z. B. Messing, haben sich beim Einsatz aus Kostengründen bisher nicht durchsetzen können. Auch die Herstellung von Wärmetauschern aus dem leichten und korrosionsfesten Metall Aluminium bzw. aus seiner Legierung haben bisher aus technologischen Grün den keinen Eingang auf dem Markt gefunden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Wärmetauscher herzustellen, die ein geringes Gewicht, hohe Korrosions festigkeit und gute bis sehr gute Wärmeleitung aufweisen, wobei eine ausreichende Festigkeit und niedrige Materialko sten gewährleistet sein müssen.

Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, eine Anlage anzubieten, mit deren Hilfe die genannten Wärmeaus tauscher effektiv und billig hergestellt werden können.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Wärmetauscher und einem Verfahren und einer Anlage zu seiner Herstellung gemäß den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1, 9, und 10.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von Aluminium enthal tendes Bandmaterial aus. Dieses Material wird nach einer Wärmevorbehandlung kontinuierlich einer Vorrichtung zur Formung von Halbschalen zugeführt. Die maßgerecht auf Länge gebrachten Halbschalen werden nach einer weiteren Wärmebehandlung in definierten Abständen mittels der Fließbohrtechnik mit Bohrungen versehen. Die Fließbohrtechnik erlaubt es, die Bohrungen spanlos hochgenau und mechanisierbar einzubringen. Gleichzeitig mit dem Fließbohren werden die dabei entstehenden kragenartigen Ausbildungen mittels eines Formgesenkes, das auch dem Fließbohrer als Führung dient, spanlos geformt.

Die auf diese Weise erzeugten zylindrischen Durchzüge, die sowohl an der konvexen Seite als auch an der konkaven Seite der Halbschalenwandung sichtbar sind, dienen der formschlüssigen Aufnahme der Registerrohre. Nach maßgerechtem Zuschnitt werden zwei dieser Halbschalen mittels der aluminiumhaltigen Registerrohre, die konvex seitig in die zylindrischen Durchzüge eingeführt werden, zu einem Heizregister (Wärmetauscher) verbunden. Konkavseitig erfolgt dann ein dichtes Verbinden der Enden der Verbinden wird erfindungsgemäß mittels Schweiß-, Kleb- oder Schrumpfverfahren durchgeführt.

Im Ergebnis dieses Verfahrenschrittes entsteht ein Aus tauschrohrregister, das mit zwei Halbschalen verbunden ist.

Erfindungsgemäß erfolgt nun das Verbinden dieser mit den Registerrohren verbundenen Halbschalen mit zwei weiteren Halbschalen, so daß sogenannte Verteilerrohre entstehen. Die Verteilerrohrenden werden dann zur Aufnahme von han delsüblichen Anschlußbauteilen vorbereitet.

Abschließend erfolgt erfindungsgemäß eine Oberflächen schutzbehandlung des fertigen Wärmetauschers. Die Behandlung kann ein Eloxierverfahren sein.

Die spezielle Formgebung der Austauschregisterrohre und die elektro-chemische Oberflächenbehandlung des Endproduktes zum Beispiel, gestatten den Einsatz der erfindungsgemäßen Wärmetauschern bei der Heizungstechnik im Wohnungsbau und in allen Büro- und Gewerberäumen, in der verarbeitenden Industrie mit regenerativer Wärmerückgewinnung aus alkali schen und säurehaltigen Medien und der Energietechnik mit Anlagen zur Rauchgasentschwefelung.

Weitere Einsatzmöglichkeiten in anderen Bereichen sind aufgrund der guten Eigenschaften des Werkstoffes Aluminium gegeben.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wär metauscher weisen ein geringes Gewicht bei ausreichender Festigkeit auf. Ihre gute Verformbarkeit ermöglicht ein ef fektives Herstellen.

Weitere Vorteile sind die gute Wärmeleitung und die gute Korrosionsbeständigkeit und vor allen Dingen die niedrigen Materialkosten.

In einer Ausführungsvariante der Erfindung gemäß Anspruch 3 erfolgt das Verbinden der Registerrohre mit den Verteiler rohren und das Verbinden der Verteilerrohrhalbschalen mit tels eines Aluminium-Schweißverfahrens. Als sehr effektiv und zuverlässig hat sich das WIG-Aluminium-Schweißverfahren mit Hochfrequenzzündung erwiesen. Durch Anwendung dieses Schweißverfahrens ist es möglich, nachbearbeitungsfreie Schweißnähte herzustellen, was die Ökonomie des Verfahrens außerordentlich günstig gestaltet.

In einer anderen Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist es allerdings auch möglich, dichte Verbindungen zwi schen den Aluminiumteilen durch Wahl eines geeigneten Klebemittels zu erreichen.

Um den Wärmeaustausch zwischen Wärmeträger und Umgebung zu verbessern, werden erfindungsgemäß als weitere Ausführungsform der Erfindung innerhalb der Registerrohre, sogenannte Turbulatoren eingesetzt. Als sehr effektiv hat sich hier der Einsatz von verdrillten Aluminium-Blech- Streifen herausgestellt. Diese verdrillten Aluminium-Blech- Streifen verbessern die Wärmeübertragung, insbesondere bei geringen Baumaßen.

Das erfindungsgemäße Formgesenk ist gemäß Anspruch 7 zweiteilig ausgebildet, wobei das untere Formgesenkteil konkavseitig und das obere Formgesenkteil konvexseitig an der Halbschalenwandung angeordnet ist. Es kann eine oder mehrere Bohrungen aufweisen.

Die Anlage zur Herstellung von Wärmetauschern besteht erfindungsgemäß aus einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Halbschalen, aus Aluminium enthaltenden Bandmaterial, an die sich eine Fließbohrtechnikeinrichtung zur Herstellung von zylindrischen Durchzügen in den Halbschalen anschließt, die mit einem Formgesenk zur gleichzeitigen spanlosen Formung von zylindrischen Durchzügen kombiniert ist, einer Halbschalenablängeinrichtung und einer Anlage zum dichten Verbinden von Aluminiumteilen.

Aufgrund dieser Kombination ist es möglich, die Herstellung der Wärmetauscher halbautomatisch zu gestalten. Das betrifft insbesondere das kontinuierliche Ablaufen der Herstellung der Halbschalen aus Aluminium enthaltenden Bandmaterial und die sich daran anschließende Fließbohrtechnikeinrichtung zur Herstellung der zylindrischen Durchzüge.

Es ist ein großer Vorteil der Erfindung, daß die Register rohre erfindungsgemäß nur an ihren Enden einen kreisförmi gen Querschnitt aufweisen müssen. Dieser kreisförmige Quer schnitt an den Enden ermöglicht es, die Wärmetauscher mit hoher Effektivität herzustellen. Der Bereich der Register rohre, die sich zwischen den beiden Enden befindet, kann eine sehr unterschiedliche Form aufweisen. Das Rohr kann schlangenförmig gestaltet sein, es kann die Form einer Spi rale haben, es kann auch eine Form haben, die von einer Rohrform abweicht, beispielsweise könnte der Querschnitt ellipsenförmig sein bzw. dreieckig oder vieleckig.

Durch diese Vielfältigkeit der Gestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist es möglich, gerade im Wohnbereich sehr vorteilhafte platzsparende oder auch be stimmte Räume ausfüllende Formen einzusetzen.

Durch die vielfältigen Möglichkeiten der Formgebung dieser Wärmeaustauscher ist auch der Einsatz in der Industrie mög lich, da man praktisch jede Raumform realisieren kann. Die Registerrohre werden nicht nach dem erfindungsgemäßen Ver fahren hergestellt. Zweckmäßigerweise greift man hier auf handelsübliche Halbzeuge zurück.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 formschlüssige und dichte Verbindung zwischen Verteilerrohr und Register rohr;

Fig. 2 Schnittdarstellung eines Wärmetauschers,

Fig. 3 Schnittdarstellung eines Formgesenks;

Fig. 4 Formgesenk Draufsicht

Fig. 5 Verfahrensablaufschema.

Bandmaterial mit definierter Breite und Dicke aus einer Al-Mg-Si-Legierung wird einer Heizvorrichtung 20 zuge führt. Diese exakt geregelte Wärmevorbehandlung sichert die Verformbarkeit ohne Materialschädigung.

Das Bandmaterial wird nun aus der Heizvorrichtung 20 kommend kontinuierlich einer Halbschalenformung 21 zu geführt. Die aus der Halbschalenformung 21 kontinuier lich austretenden Halbschalen 6 werden mittels einer Halbschalenablängeinrichtung 22 maßgerecht zugeschnit ten.

50% der Halbschalen 6 werden einer Fließbohreinrichtung 22 zugeführt, nachdem sie eine geregelte Heizvorrichtung 23 durchlaufen haben.

In eine Halbschalenwandung 7 der der Fließbohr einrichtung 22 zugeführten Halbschalen 6 werden nach Einspannung in ein zweiteiliges Formgesenk 9 mit einem oberen Gesenkteil 11 und einem unteren Gesenkteil 12 mittels eines Fließbohrers 10 zylindrische Durchzüge 8 eingebracht, wobei gleichzeitig eine spanlose Formung eines konvexseitigen Kragens 3 und eines konkavseitigen Kragens 4 durch das Hineindrücken des Materials in eine konvexseitige Form 13 und eine konkavseitige Form 14, die durch das obere Gesenkteil 11 und das untere Gesenkteil 12 gebildet werden, erfolgt.

Mit der Schaffung von zylindrischen Durchzügen 8 in der Halbschalenwandung 7, die aus relativ weichen Material besteht, ist es nun möglich ohne manuelle Nachbearbeitung im weiteren Montageablauf Registerrohre 2 formschlüssig aufzunehmen. Nur durch diese
Verbindungsform werden die Voraussetzungen zur Herstellung von druckfesten Wärmetauschern geschaffen, die auch äußeren mechanischen Belastungen standhalten können. Keine andere Verbindungstechnik würde den geforderten Ansprüchen genügen können.

Ein gradfreie Endenbearbeitung und leichtes konisches Anformen der Enden der Registerrohre 2 sichern ein teilautomatisiertes Montieren der Registerrohre mit der unteren und oberen Halbschale 6 in beliebigen Abmessungen. Durch vorheriges Biegen der Registerrohre 2 können z. B. für die Raumgestaltung interessante Lösungen angeboten werden.

In einer Registerrohrverschweißung 25 erfolgt nun das eigentliche Dichtschweißen der Enden der Registerrohre 2 mit den konkavseitigen Kragen 3 der in den Halbschalen 6 eingebrachten zylindrischen Durchzügen 8, mittels des an sich bekannten WIG-Aluminium- Schweißverfahrens mit Hochfrequenzzündung. Es entsteht die Schweißnaht 5. Das Verschweißen erfolgt ebenfalls nachbearbeitungsfrei.

Nach diesem Arbeitsschritt werden die zweiten 50% der vorgeformten Halbschalen 6 zum Schließen der offenen Halbschalen 6 montiert, verspannt und wiederum im WIG- Aluminium-Schweißverfahren mittels Längsnähte zu einem geschlossenen Verteilerrohr 1 miteinander verschweißt. Die WIG-Brenner werden automatisch geführt. Der Einsatz von Schutzgas-definierten Schweißströmen und Schweißge schwindigkeiten sichern eine Längsnaht mit hoher Festigkeit und weitgehendst nacharbeitungsfrei.

In einer Verteilerrohrendenbearbeitung 27 werden die nun je Wärmetauscher offenen vier Rohrenden der Verteilerrohre 1 mit einem definierten Innengewinde zur Aufnahme von handelsüblichen Anschlußbauteilen, wie Einschraubverschraubungen, bekannte Abmessungen oder für die Aufnahme von speziellen Armaturen versehen.

In einer sich nun anschließenden Eloxiereinrichtung 28 erfolgt eine abschließende elektrochemische Behandlung, ein Eloxieren nach dem Schwefelsäureverfahren, des an allen vier Rohrenden offenen Wärmetauschers. Diese Behandlung sichert innen wie außen eine hohe Kor rosionsbeständigkeit und eine nicht unwesentliche weitere Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit. Das bei einem Eloxierverfahren mögliche Einfärben gestattet auf diesem wirtschaftlichen Wege eine weit gestaffelte Farbgebung. Die jetzt vorliegende Oberflächengüte ge nügt höchsten Ansprüchen und schafft damit Vorausset zung für die vielfältigsten Anwendungsmöglichkeiten.

Bezugszeichenliste

1 Verteilerrohr
2 Registerrohr
3 konvexseitiger Kragen
4 konkavseitiger Kragen
5 Schweißnaht
6 Halbschale
7 Halbschalenwandung
8 zylindrischer Durchzug
9 Formgesenk
10 Fließbohrer
11 oberes Gesenkteil
12 unteres Gesenkteil
13 konvexseitige Form
14 konkavseitige Form
20 Heizvorrichtung
21 Halbschalenformung
22 Halbschalenabläng einrichtung
23 Heizvorrichtung
24 Fließbohreinrich tung
25 Registerrohrver schweißung
26 Verteilerrohr verschweißung
27 Verteilerrohrenden bearbeitung
28 Eloxiereinrichtung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von druckfesten Wärme tauschern für fluide Wärmeträger, bestehend aus rohr förmigen Wärmeträgerleitungen,
dadurch gekennzeichnet,
daß Al-enthaltendes Bandmaterial nach einer Wärmevorbe handlung (20) kontinuierlich einer Vorrichtung zur For mung von Halbschalen (21) zugeführt wird,
daß anschließend nach einer weiteren Wärmebehandlung (23) in definierten Abständen mittels Fließbohrtechnik (24) kontinuierlich Bohrungen in die Halbschalenwandung (7) eingebracht werden, derart, daß sowohl konkavseitig (4) als auch konvexseitig (3) in der Halbschalenwandung (7) aufgrund einer Kragenbildung zylindrische Durchzüge (8) entstehen,
daß gleichzeitig mit dem Fließbohren die konvex- und konkavseitig entstehenden, kragenartigen Teile der zy lindrischen Durchzüge (8) mittels eines Formgesenks (9) spanlos geformt werden,
daß zwei maßgerecht zugeschnittene Halbschalen (6) mit tels Al-haltiger Registerrohre (2), die konvexseitig (3) formschlüssig in die zylindrischen Durchzüge (8) eingeführt werden, verbunden werden,
daß anschließend ein konkavseitiges (4) dichtes Verbin den der zylindrischen Durchzüge (8) mit den Register rohrenden (2) erfolgt,
daß die beiden mit den Registerrohren (2) verbundenen Halbschalen (6) mit zwei weiteren, ungebohrten Halb schalen zu Verteilerrohren (1) dicht verbunden werden,
daß die Verteilerrohrenden (1) zur Aufnahme von han delsüblichen Anschlußbauteilen vorbereitet werden,
und daß eine Oberflächenschutzbehandlung des Al-halti gen Heizregisters durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aluminium enthaltendes Material Aluminium und/oder Aluminium enthaltende Legierungen eingesetzt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dichte Verbinden der Aluminium enthaltenden Teile mittels eines Schweißverfahrens erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dichte Verbinden der Aluminium enthaltenden Teile durch Klebung erfolgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dichte Verbinden der Aluminium enthaltenden Teile durch Schrumpfen erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Registerrohre (2) und/oder die Verteilerrohre (1) Turbulatoren enthalten.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Turbulatoren verdrillte Aluminiumstreifen ein gesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgesenk (9) zweiteilig ausgebildet ist, wo bei ein unteres Formgesenkteil (12) konkavseitig und ein oberes Formgesenkteil (11) konvexseitig an der Halbschale (6) angeordnet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgesenk (9) eine oder mehrere Bohrungen auf weist.

10. Anlage zur Herstellung von Wärmetauschern für fluide Wärmeträger, bestehend aus rohrförmigen Wärmeträgerlei tungen, gekennzeichnet dadurch, daß die Anlage aus

- einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Halbschalen aus Aluminium enthaltenden Bandmaterial (21)
- einer Halbschalenablängeinrichtung
- einer Fließbohrtechnik-Einrichtung (24) zur Herstel lung von zylindrischen Durchzügen in den Halbschalen wandungen,

die mit einem Formgesenk (9) zur spanlosen Formung von zylindrischen Durchzügen (8) kombiniert ist
und

- einer Einrichtung zum dichten Verbinden von Alumini umteilen (25, 26) besteht.

11. Druckfester Wärmetauscher für fluide Wärmeträger beste hend aus rohrförmigen Wärmeträgerleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher aus Aluminium enthaltenden Rohr leitungen besteht, deren Verteiler- und Registerrohre (1, 2) mittels Schweißtechnik druckfest verbunden sind, derart, daß ausgehend von Verteilerrohrhalbschalen (6) diese mittels Fließbohrtechnik zylindrische Durchzüge (8) erhalten, in die formschlüssig Registerrohrenden (2) eingeführt und verschweißt sind und daß die Vertei lerrohrhalbschalen (6) mit weiteren Halbschalen (6) zu Verteilerrohren (1) verschweißt sind.