DE4402020C2

DE4402020C2 - Verfahren und Anlage zur Herstellung von Wärmetauschern für fluide Wärmeträger sowie druckfester Wärmetausch

Info

Publication number: DE4402020C2
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: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2014-01-21
Also published as: DE4402020A1; AU1531295A; WO1995019857A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Wärmetauschern für fluide Wärmeträger sowie auf einen druckfesten Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 4 und 5.

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

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 sind.

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 schwer, der Wärme übergang vom Wärmeträger an die umgebende Atmosphäre ist träge und die Korrosionsanfälligkeit der Materialien hoch.

Weniger korrosionsanfällige Materialien wie z. B. Messing, haben sich beim Einsatz aus Kostengründen bisher nicht durchsetzen können. Jedoch ist die Herstellung von Wärmetauschern aus dem leichten und korrosionsfesten Metall Aluminium bzw. aus seiner Legierung bekannt. Aus technologischen Grün den konnten sie sich auf dem Markt bisher für die Beheizung von Räumen nicht durchsetzen.

In der deutschen Offenlegungsschrift 27 47 782 wird ein Verfahren zur Herstellung von Wärmeaustauschern und eine Vorrichtung zur Ausübung desselben beschrieben. Das Verfahren zur Herstellung der Wärmeaustauscher ist dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre durch Einrollen eines Streifens so hergestellt werden, daß dessen Ränder einander genähert und durch einen elektrischen Schweißvorgang verbunden werden, wobei ein äußerer Längsschweißwulst und ein innerer Längsschweißwulst entsteht und der äußere Wulst entfernt wird. Dieses Herstellungsverfahren eignet sich nicht dazu, Wärmetauscher herzustellen, die Verteilerrohre aufweisen, in denen dann in vorgesehene Bohrungen Registerrohre aus Aluminium eingeführt werden können, um in Räume einsetzbare Wärmetauscher zu erhalten.

Auch das in der deutschen Offenlegungsschrift 20 41 461 beschriebene Verfahren zum fortlaufenden Herstellen von Zentralheizungskörpern aus zwei oder mehr Blechbändern, bei dem die zugeordneten Blechbänder zunächst zu Profilblechbändern mit Sammel- und Wärmeaustauschkanälen gepreßt und anschließend zunächst punktweise zusammengeschweißt, dann zu zusammenhängenden Profilblechstreifen quer durchschnitten und die hierdurch geschaffenen Heizkörperrohlinge hierauf entlang ihren Rändern dicht zusammengeschweißt werden, eignet sich nicht dazu, Registerrohre für Wärmetauscher aus Aluminium herzustellen, in denen Bohrungen für das Einführen von Verteilerrohren eingebracht werden. Eine Formung der Profilblechstreifen ist hier nicht vorgesehen.

In der deutschen Patentschrift 1 59 161 ist ein Verfahren zur Herstellung von ein-, zwei- und mehrteiligen Heiz- und Kühlkörpern, Kondensatoren und Dampfkesseln beschrieben. Hierbei werden Profilstücke hergestellt, die durch zwei Walz- und Stanzprozesse erhalten werden. Diese Profilstücke werden aus einem Stück zu einem Körper durch Umklappen um die mittlere Walzrille mittels Dornes umgebogen und dann durch Nieten und Schrauben aufeinander befestigt. Je nach Bedarf werden sie noch verlötet. Die halbringförmigen Teile der beiden aufeinandergeklappten und gelegten Profilstücke bilden röhrenförmige Hohlräume. Dieses Verfahren ist nicht dazu geeignet, Wärmetauscher aus Aluminium herzustellen, die aus Kombinationen von Registerrohren mit Verteilerrohren bestehen. Die hier vorgesehenen röhrenförmigen Hohlräume im Wärmetauscher dienen neben dem Wärmetausch insbesondere der Festigkeit des Heizkörpers.

In der DE 32 06 298 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeaustauschers aus Aluminium beschrieben. Dieser Wärmetauscher kann auch in Wohnhäusern und industriellen Anlagen verwendet werden. Hierbei geht es jedoch insbesondere um die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit eines solchen Heizkörpers durch Verwendung eines Lotwerkstoffes aus einer Aluminium- Silicium-Legierung und einem Kernwerkstoff, der neben Aluminium zusätzlich Zink enthält.

In der Zeitschrift Metalworking Production von Januar 1976, Seite 73, werden Wärmetauscher für Kraftfahrzeuge beschrieben, die aus Aluminium hergestellt werden. Diese Wärmetauscher sind zur Beheizung von Räumen nicht geeignet.

In der DE 44 04 928 A1 wird ein Heizkörper aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Metallrohren beschrieben. Hierbei werden rohrförmige Wärmeträgerleitungen wie Verteiler- und Registerrohre mittels Schweißtechnik druckfest verbunden.

Dazu ist es notwendig, daß in die Wandung eines hier als Längsrohr bezeichnetes Verteilerrohr ein Loch für die Aufnahmen eines Registerrohres, hier Querrohr genannt, mit aufgebördeltem Rand eingebracht wird, welche eine das eingesetzte Querrohr über eine gewisse Länge umschließende Fassung bildet, wobei das beim Schweißen bzw. Hartlöten verwendete Zusatzmaterial in den Spalt zwischen dem Querrohr und dem gebördelten Rand einfließen kann, so daß die stoffschlüssige Verbindung über die Höhe des gebördelten Randes entsteht.

Diese Art des Verbindens von Längs- und Querrohr ist allerdings nur bei Materialien möglich, die nach herkömmlichen Verfahren schweißbar sind, wie z. B. bei Stahl, Kupfer oder Messing. Heizkörper aus Aluminium sind so nicht herstellbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wärmetauscher aus Aluminium herzustellen, die die Vorteile eines geringen Gewichtes und hoher Korrosionsfestigkeit sowie guter bis sehr guter Wärmeleitung aufweisen, wobei eine ausreichende Festigkeit der Verbindung von Verteilerrohren mit Registerrohren gewährleistet sein muß.

Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, eine Anlage anzubieten, mit deren Hilfe die genannten Wärme tauscher effektiv und billig hergestellt werden können, sowie einen entsprechenden Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren und einer Anlage zu seiner Herstellung sowie eines Wärmetauschers gemäß den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1, 4 und 5.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von Aluminium enthal tendem 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 in Verbindung mit einem Formgesenk erlaubt es, die Bohrungen spanlos hochgenau und mechanisierbar einzubringen. Gleichzeitig mit dem Fließbohren werden die dabei entstehenden kragenartigen Ausbildungen mittels des 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. Zwei dieser Halbschalen werden 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 Registerrohre mit den Halbschalen.

Dieses Verbinden wird 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 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 Wärmetauscher 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 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 ist es allerdings auch möglich, dichte Verbindungen zwi schen den Aluminiumteilen durch Wahl eines geeigneten Klebemittels zu erreichen.

Das erfindungsgemäße Formgesenk ist gemäß Anspruch 4 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 enthaltendem 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, der 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 einen Querschnitt aufweisen, der von der Kreisform abweicht, beispielsweise könnte der Querschnitt ellipsenförmig, dreieckig oder vieleckig sein.

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 Wärmetauscher 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 eine formschlüssige und dichte Verbindung zwischen Verteilerrohr und Register rohr;

Fig. 2 die Schnittdarstellung eines Wärmetauschers,

Fig. 3 die Schnittdarstellung eines Formgesenks;

Fig. 4 das Formgesenk in Draufsicht

Fig. 5 ein 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 weichem 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.

Eine gradfreie Endenbearbeitung und leicht 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 Registerrohrschweißeinrichtung 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 sie ist weitestgehend 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 Einschraubungen 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 Halbschalenablängeinrichtung
23 Heizvorrichtung
24 Fließbohreinrichtung
25 Registerrohrschweißeinrichtung
26 Verteilerrohrschweißeinrichtung
27 Verteilerrohrendenbearbeitung
28 Eloxiereinrichtung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von druckfesten Wärme tauschern für fluide Wärmeträger, bestehend aus rohr förmigen Verteiler- und Registerrohren (1, 2), durch kontinuierliches Zuführen von Bandmaterial nach einer Wärmevorbehandlung (20) zu einer Vorrichtung (21) zur Formung von Halbschalen (6),
dadurch gekennzeichnet,
daß nach einer weiteren Wärmebehandlung (23) in definierten Abständen mittels Fließbohrtechnik (24) Bohrungen in die Halbschalenwandung (7) eingebracht werden, derart, daß sowohl konkavseitig (4) als auch konvexseitig (3) in der Halbschalenwandung (7) zylindrische Durchzüge (8) entstehen, wobei
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 Registerrohre (2) aus Aluminium enthaltendem Werkstoff, die konvexseitig (3) 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 danach die beiden mit den Registerrohren (2) verbundenen Halbschalen (6) mit zwei weiteren, ungebohrten Halbschalen (6) zu Verteilerrohren (1) dicht verbunden werden,
daß danach die Verteilerrohrenden (1) zur Aufnahme von handelsüblichen Anschlußbauteilen vorbereitet werden,
und danach eine Oberflächenschutzbehandlung des Wärmetauschers durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das konkavseitige dichte Verbinden der zylindrischen Durchzüge (8) mit den Registerrohrenden (2) durch Schweißen erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das konkavseitige dichte Verbinden der zylindrischen Durchzüge (8) mit den Registerrohrenden (2) durch Kleben erfolgt.

4. Anlage zur Herstellung von Wärmetauschern für fluide Wärmeträger aus rohrförmigen Wärmeträgerleitungen (1, 2), die eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Halbschalen (6) aus Bandmaterial aufweist,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Anlage weiterhin aus
einer Halbschalenablängeinrichtung (22),
einer Fließbohreinrichtung (24) zur Herstellung von zylindrischen Durchzügen (8) in den Halbschalenwandungen (7),
die mit einem Formgesenk (9) zur spanlosen Formung von zylindrischen Durchzügen (8) kombiniert ist, welches zweiteilig ausgebildet ist, wobei ein unteres Gesenkteil (12) konkavseitig und ein oberes Gesenkteil (11) konvexseitig an der Halbschale (6) angeordnet ist,
und das Formgesenk (9) eine oder mehrere Bohrungen aufweist, und
einer Einrichtung zum dichten Verbinden von Aluminiumteilen (25, 26) mittels eines Schweißverfahrens besteht.

5. Druckfester Wärmetauscher für fluide Wärmeträger bestehend aus rohrförmigen Wärmeträgerleitungen aus Aluminium, deren Verteiler- und Registerrohre (1, 2) mittels Schweißtechnik druckfest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die druckfeste Verbindung derart erfolgt ist, daß ausgehend von Verteilerrohrhalbschalen (6) diese mittels Fließbohrtechnik zylindrische Durchzüge (8) erhalten, in die Registerrohrenden (2) eingeführt und verschweißt sind und daß die Verteilerrohrhalbschalen (6) mit weiteren Halbschalen (6) zu Verteilerrohren (1) verschweißt sind.