DE4446563A1 - Wärmetauscher und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einem oder mehreren Rohren und einem oder mehreren von den Rohren durchsetzten Kühllamellen, wobei die Rohre eine in Längsrichtung verlaufende Schweißnaht aufweisen, mit der die Bandkanten eines Bandmaterials verschweißt sind. Die Erfindung betrifft auch derartige Rohre und ein Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers und der Rohre.

Es ist allgemein bekannt, daß das Netz eines Wärmetauschers aus einer Vielzahl von Kühllamellen aufgebaut ist, die von mehreren Rohren durchsetzt sind. Um einen optimalen Wärmeübergang von den Rohren auf die Kühllamellen oder umgekehrt zu erhalten, müssen die Kühllamellen über eine möglichst große Fläche an der Außenwand der Rohre anliegen.

Dies wird dadurch erreicht, daß nach dem Einsetzen der Rohre in das Rippenpaket die Rohre aufgeweitet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Rohre mit den einzelnen Kühllamellen verlötet werden. Hierfür sind die Außenflächen der Rohre mit Lotmaterial plattiert. In einem Lötofen wird dieses Lotmaterial aufgeschmolzen und die Lötverbindung hergestellt. Um die Herstellungskosten des Wärmetauschers zu senken ist man bestrebt, die Verbindung von Rippenpaket und Rohren über eine Aufweitung der Rohre herzustellen, da in diesem Falle die Plattierung eingespart werden kann.

Nahtlos hergestellte Rohre, d. h. gezogene, gepreßte oder umgeformte Rohre, eignen sich besonders gut für das Aufweiten, jedoch sind sie teuerer als geschweißte Rohre, so daß der durch die Aufweitung erzielte Kostenvorteil aufgezehrt wird. Die Verwendung von geschweißten Rohren ist problematisch. Bei geschweißten Rohren wird zwar der die Außenoberfläche des Rohres überragende Teil der Schweißnaht abgehobelt, jedoch ist ein Abtrag der die Innenfläche des Rohres überragende Teil der Schweißnaht in der Regel nicht möglich. Dieser Schweißwurzelüberstand würde jedoch beim Aufweiten des Rohres einerseits einen übermäßigen Verschleiß am Aufweitwerkzeug hervorrufen, da die Schweißwurzel sehr hart ist, andererseits würde die Aufweitung des Rohres im Bereich der Schweißnaht unzureichend oder zumindest undefiniert sein, da am Aufweitwerkzeug nicht die Innenwand des Rohres sondern der Schweißwurzelüberstand anliegen würde. Da der Ort der Schweißwurzel weder bei Rundrohren noch bei ovalen Rohren konstant ist, kann das Aufweitwerkzeug nicht mit einer den Schweißwurzelüberstand aufnehmenden Nut versehen werden. Aufgrund der Toleranzen müßte die Nut extrem breit ausgelegt werden, was den Nachteil mit sich zieht, daß im Bereich dieser Nut keine Aufweitung bzw. Dehnung des Rohres stattfindet. Dies hätte, wenn überhaupt, eine schlechte Anlage dieses Rohrbereiches an den Lamellen zur Folge, wobei die Verbindung insbesondere nicht warmfest ist, so daß eine derartige Rohr-Rippen-Verbindung einen schlechten Wärmeübergang besitzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher und ein Rohr sowie ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, bei denen die Rohr-Rippen-Verbindung einen besseren Wärmeübergang aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß wenigstens eine der miteinander zu verbindenden Bandkanten im Kantenbereich eine geringere Wandstärke aufweist als der restliche Querschnitt des Bandmaterials, insbesondere mit einer Ausnehmung versehen ist. Bei einer anderen Ausführungsform weist das Rohr im Bereich der Schweißnaht eine in Richtung der Schweißnaht verlaufende Ausnehmung auf.

Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung, d. h. mit der Ausnehmung im Bereich der Schweißnaht, wird der wesentliche Vorteil erzielt, daß durch die Ausnehmung ein geringerer Schweißwurzelüberstand erzeugt wird, so daß sich die eingangs genannten Probleme bei der Aufweitung weniger gravierend auswirken. Da die Ausnehmung vorteilhaft an der Innenfläche des Rohres vorgesehen ist, befindet sich der Großteil des Schweißwurzelüberstandes im Bereich der Ausnehmung und wird vom Aufweitwerkzeug nicht erfaßt. Bei optimalen Schweißbedingungen wird die Ausnehmung von einer Fase gebildet, die der Rohrinnenseite zugewandt ist. Dabei kann die durch die Fase bzw. durch die Fasen gebildete Ausnehmung ganz oder teilweise von der Schweißwurzel ausgefüllt sein.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Breite der Ausnehmung des Rohrs kleiner oder gleich der fünffachen Wanddicke des Rohres. In diesem Falle hat die Ausnehmung die zusätzliche Aufgabe, daß sie beim Einführen des Aufweitdorns in das Rohr Schmutz und sich ablösende Partikel der Schweißwurzel, z. B. Schweißgries oder dgl. aufnehmen kann. Falls die Tiefe der Ausnehmung geringer ist als der schweißwurzelüberstand bildet die Ausnehmung einen Verdrängungsraum für die Schweißwurzel selbst. Das Aufweitwerkzeug verdrängt dann den radial nach innen über die Ausnehmung überstehenden Teil der Schweißwurzel seitlich in den Freiraum der Ausnehmung.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Tiefe der Ausnehmung kleiner oder gleich 40%, insbesondere ein Drittel bis ein Viertel der Wanddicke des Rohres. Bei einer derartigen Tiefe der Ausnehmung spielt die Schwächung des Rohres durch Verringerung der Wanddicke keine oder nur eine sehr untergeordnete Rolle. Insbesondere, wenn die Ausnehmung durch Schweißmaterial aufgefüllt wird, ist die Wandschwächung vernachlässigbar.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß die Rohre runde, flache oderflachovale Rohre sind. Somit ist die Erfindung bei nahezu allen bekannten Wärmetauschern einsetzbar.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist vorgesehen, daß die Schweißnaht bei Rohren, die einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt aufweisen, sich im Bereich des großen Krümmungsradius (kleine Achse) befinden. Da beim Aufweiten derartiger Rohre der Bereich des großen Krümmungsradius, d. h. der im wesentlichen flache Bereich geringeren Aufweitspannungen ausgesetzt ist, kann hier ohne Festigkeitseinbuße die Wandstärke verringert werden. Außerdem sind die Deformationen beim Umformen eines geschweißten Rundrohres in eine flache oder flachovale Form im Bereich des großen Krümmungsradius wesentlich geringer als im Bereich des kleinen Krümmungsradius (große Achse).

Als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Rohre können Aluminiumbänder, Edelstahlbänder oder allgemein Bänder aus verschweißbarem Material verwendet werden. Außerdem kann das Bandmaterial aus einem Schichtwerkstoff bestehen, d. h. ein- oder beidseitig plattiert sein. Insbesondere besteht die Plattierung aus einem Hartlotwerkstoff.

Bei einem Rohr für einen Wärmetauscher mit den oben angegebenen Merkmalen wird die Ausnehmung vorteilhaft spanend oder spanlos am Bandmaterial hergestellt, z. B. gewalzt.

Die eingangs genannte Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Herstellung eines geschweißten Rohres, bei dem sich die Schweißnaht in Längsrichtung des Rohres erstreckt und das Rohr durch Umformung eines Bandmaterial hergestellt wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wandstärke wenigstens einer der miteinander zu verschweißenden Bandkanten vor dem Verschweißen verringert wird.

Diese Verringerung der Wandstärke der Bandkanten erfolgt vor der Verschweißung und erfolgt z. B. durch Anfasen oder Walzen der Bandkante. Nach dem Walzvorgang kann die Breite des Bandmaterials durch Beschneidung kalibriert werden. Insbesondere bei plattiertem Bandmaterial, wobei die Plattierung ein- oder beidseitig aufgebracht sein kann, wird das Walzen bevorzugt, da in diesem Falle die Plattierung nicht abgetragen wird.

Erfindungsgemäß wird nach Beendigung des Schweißvorganges der über die Außenoberfläche überstehenden Teil der Schweißnaht abgehobelt. Die Außenkontur des Rohres entspricht nunmehr der Öffnung bzw. dem Durchzug im Rippenpaket, so daß eine optimale Anlage der Rohraußenfläche an den Rippen gewährleistet ist.

Nach Beendigung des Schweißvorganges kann das Rohr in eine flache oder flachovale Form umgeformt werden. Somit besteht die Möglichkeit, Wärmetauscher mit Rohren beliebiger Form und entsprechenden Rippen herzustellen, wobei auch hier gewährleistet ist, daß trotz geschweißter Rohre eine optimale Aufweitung und somit gute Anlage der Rohraußenfläche an den Rippen erzielt wird. Dabei liegt das Rohr nicht nur am Rippenpaket sondern auch großflächig am Rohrboden an und kann mit diesem, falls erforderlich, verschweißt oder verlötet werden. Eine Verlötung der Rohre ist auch mit dem Rippenpaket möglich, wenn die Außenseiten der Rohre plattiert sind. Auf diese Weise wird eine gute Wärmeübertragung erzielt und der Wärmetauscher ist in einem großen Temperaturbereich von einigen 100°C warmfest.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen erläutert ist. Dabei können die in der Zeichnung gezeigten und in der Beschreibung und den Ansprüchen beschriebenen Merkmale jeweils einzeln für sich oder in einer beliebigen Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein geschweißtes Rohr; und

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des die Schweißnaht aufweisenden Bereichs.

In der Fig. 1 ist ein flachovales Rohr gezeigt, welches dadurch hergestellt worden ist, daß ein nicht dargestelltes Bandmaterial zunächst in die Kreisform gebogen und die Bandkanten 2 und 3 mittels einer Schweißnaht 4 miteinander verbunden worden sind. Anschließend ist das Rohr 1 in die dargestellte Form umgeformt worden. Vor der Umformung des flachen Bandmaterials werden die Bandkanten 2 und 3 gewalzt, wodurch die Wanddicke D verringert wird. Durch den Walzvorgang wird an den Bandkanten 2 und 3 eine Ausnehmung 5 hergestellt, deren Tiefe T 1/4 ± 1/8 der Wanddicke D ist. Bei dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Wanddicke D 0,4 mm und die Tiefe T der Ausnehmung 5 beträgt 0,1 mm.

Die Breite B der Ausnehmung 5 beträgt etwa das fünffache der Wanddicke D, d. h. im vorliegenden Fall etwa 2 min. Aus den Fig. 1 und 2 ist außerdem erkennbar, daß der Übergang von der Wanddicke D in den Bereich der Ausnehmung 5 allmählich erfolgt, wodurch Kerbspannungen vermieden werden.

Nach der Verbindung der beiden Bandkanten 2 und 3 mittels der Schweißnaht 4 wird der die Außenoberfläche 6 überragende Teil 7 der Schweißnaht 4 abgehobelt, so daß die Schweißnaht 4 bündig mit der Außenoberfläche 6 abschließt. Hierdurch ist eine durchgehende Anlage des Rohrs 1 an den Durchzügen eines Rippenpakets bzw. des Rohrbodens gewährleistet. An der Innenseite des Rohrs 1 befindet sich ein Schweißwurzelüberstand 8, der die Innenoberfläche 9 des Rohres 1 überragt. Bei durchschnittlicher Schweißung beträgt der Überstand maximal die Tiefe T der Ausnehmung 5. Somit beeinträchtigt der versenkt angeordnete Schweißwurzelüberstand 8 nicht die Aufweitung des Rohres 1. In der Regel wird die Ausnehmung 5 mit einer geringeren Breite B ausgebildet, so daß die Breite B lediglich geringfügig größer als der Schweißwurzelüberstand 8 ist.

Sollte der Überstand der Schweißwurzel größer als die Tiefe T der Ausnehmung 5 sein, dann wird beim Aufweiten des Rohres 1 der über die Ausnehmung 5 hervorstehende Teil des Schweißwurzelüberstandes 8 seitlich in den Freiraum der Ausnehmung 5 verdrängt, was aufgrund des geringen zu verdrängenden Materials und des vorhandenen Platzes problemlos möglich ist. Außerdem dient die Ausnehmung 5 beim Aufweiten des Rohres 1, d. h. beim Einführen des Aufweitwerkzeuges als Aufnahmeraum für Schmutz und sich beim Aufweiten von der Schweißwurzel ablösende Partikel, in der Regel Schweißgries, der somit den Aufweitvorgang nicht mehr beeinträchtigt. Da beim erfindungsgemäßen Rohr 1 die Schweißwurzel nicht oder nur noch geringfügig über die Innenkontur 10 des Rohres 1 übersteht, wird das Aufweitwerkzeug beim Aufweiten eines geschweißen Rohres 1 nicht stärker beansprucht als beim Aufweiten eines gezogenen nahtlosen Rohres.

Mit dem erfindungsgemäßen Rohr 1 können nunmehr durch Aufweiten Wärmetauscher hergestellt werden, die aufgrund der geschweißten Rohre 1 kostengünstiger sind als Wärmetauscher mit gezogenen Rohren oder verlöteten Rohr-Rippen-Verbindungen.

Claims (17)

1. Wärmetauscher mit einem oder mehreren Rohren (1) und einem oder mehreren von den Rohren (1) durchsetzten Kühllamellen, wobei die Rohre (1) eine in Längsrichtung verlaufende Schweißnaht (4) aufweisen, mit der die Bandkanten (2 und 3) eines Bandmaterials verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der miteinander zu verschweißenden Bandkanten (2 oder 3) im Kantenbereich eine geringere Wandstärke aufweist, als das Bandmaterial, insbesondere mit einer Ausnehmung (5) versehen ist.

2. Wärmetauscher mit einem oder mehreren Rohren (1) und einem oder mehreren von den Rohren (1) durchsetzten Kühllamellen, wobei die Rohre (1) eine in Längsrichtung verlaufende Schweißnaht (4) aufweisen, mit der die Bandkanten (2 und 3) eines Bandmaterials verschweißt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) im Bereich der Schweißnaht (4) eine in Richtung der Schweißnaht (4) verlaufende Ausnehmung (5) aufweist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (5) an der Innenfläche des Rohres (1) vorgesehen ist.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (5) von einer Fase gebildet wird.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (B) der Ausnehmung (5) des Rohres (1) kleiner oder gleich der fünffachen Wanddicke (D) des Rohres (1) ist.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (T) der Ausnehmung (5) kleiner oder gleich 40%, insbesondere ein Drittel bis ein Viertel der Wanddicke (D) des Rohres (1) ist.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) runde, flache oder flachovale Rohre sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißnaht (4) bei flachen oder flachovalen Rohren (1) sich im Bereich des großen Krümmungsradius des Rohres (1) befindet.

9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) aus einem Schichtwerkstoff besteht, insbesondere die Außenoberfläche (6) und/oder die Innenoberfläche des Rohres (1) plattiert ist.

10. Rohr (1) für einen Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (5) spanend oder spanlos am Bandmaterial hergestellt ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines geschweißten Rohres (1), bei dem sich die Schweißnaht (4) in Längsrichtung des Rohres (1) erstreckt und das Rohr (1) durch Umformung eines Bandmaterials hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke (D) wenigstens einer der miteinander zu verschweißenden Bandkanten (2 oder 3) verringert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke (D) der Wandkante (2 oder 3) durch Anfasen verringert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke (D) der Wandkante (2 oder 3) durch Walzen verringert wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung des Schweißvorganges der über die Außenoberfläche (6) überstehende Teil (7) der Schweißnaht (4) abgehobelt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach Beendigung des Schweißvorganges das Rohr (1) in eine flache oder flachovale Form umgeformt wird.

16. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers mit einem nach dem Verfahren gemäß einer der Ansprüche 11 bis 15 hergestellten Rohres (1), dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) nach dem Einschieben in ein Rippenpaket und/oder Rohrboden radial aufgeweitet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) mit dem Rippenpaket und/oder Rohrboden verlötet oder verschweißt wird.