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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft Leckerkennungsverfahren für Wärmetauscher im Allgemeinen
und insbesondere ein druckloses Verfahren zum Erkennen eines Lecks über eine
innere Trenneinrichtung eines Wärmetauscherverteilertanks.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Wärmetauscher
vom Gleichstromtyp wie Autokühler
und -verflüssiger
weisen im Allgemeinen zwei parallele Verteilertanks mit einer Vielzahl
von Strömungsrohren,
die von Tank zu Tank rechtwinklig zu diesen verlaufen, auf. Sie
können
in einer Einzelstufenflüssigkeitsströmungsanordnung
entworfen sein, was bedeutet, dass Kühlmittel oder Kältemittel
einfach in einen Tank eingelassen wird, gleichzeitig horizontal über alle
Rohre strömt
und von dem anderen Tank abgezogen wird. Häufiger ist jedoch eine vielstufige
Strömung
wünschenswert,
um die Strömungsgeschwindigkeit
zu erhöhen
und die Wärmeübertragungsleistung
zu steigern. Bei einem zweistufigen Verflüssiger zum Beispiel ist ein
Tank ungefähr
in der Hälfte
durch eine innere Strömungstrenneinrichtung
geteilt. Ein Kältemitteleinlass
tritt in den einen Tank an einer Seite der Trenneinrichtung ein,
und ein Auslass tritt aus dem Tank an der anderen Seite der Trenneinrichtung
aus. Kältemittel
strömt durch
den Einlass, zum Beispiel unter der Trenneinrichtung, und strömt nur über jene
Strömungsrohre, die
sich durch den Tank unter der Trenneinrichtung öffnen. Die erste Strömungsstufe
tritt in den gegenüberliegenden
Rücklauftank
ein, kehrt um und strömt in einer
zweiten Strömungsstufe
durch die verbleibenden Rohre und in die obere Hälfte des ersten Tanks, über der
Trenneinrichtung. Schließlich
verlässt
das Kältemittel
den Auslass.
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Trenneinrichtungen
werden physikalisch in den einen Verteilertank eingebaut, indem
sie entweder, im Fall von Tanks mit kleinem Durchmesser, entlang
der Länge
des Tanks nach unten getrieben werden, oder zwischen einer geschlitzten
Sammelrohrplatte und einer durchgeformten Tankbasis angeordnet werden.
Oft sitzen die Ränder
der entweder runden oder anders geformten Trenneinrichtung in einer inneren
Nut. Dann, wenn der gesamte Wärmetauscherkern
gelötet
wird, wird geschmolzenes Lötmaterial
in die innere Nut und kontinuierlich um den Rand der Trenneinrichtung
gezogen, um eine hoffentlich durchgehende, flüssigkeitsdichte Lötnaht um den
Rand der Trenneinrichtung zu bilden. Wenn die Lötnaht nicht vollkommen sein
sollte, ist es möglich, dass
ein Teil der Flüssigkeit über die
undichte Trenneinrichtung von dem Tankeinlass direkt zu dem Tankauslass
strömt
und die Strömungsrohre
umgeht. Dies wäre
bei einem Niederdruckwärmetauscher
wie einem Kühler
kein schwer wiegendes Problem, könnte
aber die Leistung und den thermischen Wirkungsgrad eines zweistufigen
Hochdruckverflüssigers
erheblich beeinträchtigen.
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Es
gibt kein bekanntes praktisches Großserienverfahren, um das Vorhandensein
von Lecks innerer Trenneinrichtungen zu prüfen. Es ist relativ einfach,
auf das Vorhandensein außen
liegender Lecks zu prüfen.
Der Wärmetauscher
wird einfach mit einem beliebigen flüssigen oder gasförmigen Prüfmedium
unter Druck gesetzt, um zu sehen, ob ein äußeres Auslaufen des Mediums
an irgendeiner Naht oder einer Stelle auftritt. Es ist auch bekannt,
eine ähnliche Prüfung auf
außen
liegende Lecks durchzuführen,
indem man eine Flüssigkeit,
die ein Prüfgas
mitreißt, durch
den Wärmetauscher
laufen lässt.
Das Gas tritt dabei durch kleine außen lie gende Lecks aus, durch welche
die Flüssigkeit
unter Umständen
nicht austritt. Es ist jedoch eine ganz andere Sache, ein innen
liegendes Leck, d. h. einen Umgehungsstrom über eine innere Trenneinrichtung,
zu erkennen. Schwer wiegende Lecks können erkannt werden, indem
einfach die Leistung des Wärmetauschers
geprüft
wird. Wenn die Prüfung
schlecht ausfällt
und keine außen liegenden
Lecks vorliegen, kann man mit Sicherheit annehmen, dass ein innen
liegendes Leck vorhanden ist. Selbstverständlich sind solche Prüfungen der tatsächlichen
Leistung kosten- und zeitintensiv und können kleinere Lecks, die die
Leistung nicht erheblich beeinträchtigen,
nicht aufzeigen. Während
kleinere Lecks toleriert werden können, wird es für diejenigen,
die den Fertigungsprozess überwachen,
immer noch sehr nützlich
sein zu wissen, ob sie vorhanden sind, da später im Herstellungsverlauf
schwer wiegendere innen liegende Lecks entstehen könnten. Es
ist auch bekannt, Wasser mit niedrigem Druck in den Tank und auf
die Oberseite der Trenneinrichtung zu tropfen, um zu sehen, ob es
durch läuft.
Auch dies ist zeitaufwändig
und ineffizient, und Wasser ist nicht das beste Medium, das in einen
Kältemittelverflüssiger eingeleitet
werden sollte.
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Es
ist (aus der EP-A-0389009) bekannt, das Vorhandensein von innen
liegenden Lecks in einem nicht verwandten Fachgebiet zu prüfen, im
Speziellen in der vertikalen Wand ("Brustwand"), die eine vertikale Brennkammer von
einer benachbarten vertikalen Wärmespeicherkammer
trennt. Die Trennwand trennt nicht gänzlich einen oberen Abschnitt von
einem unteren Abschnitt einer vertikalen Kammer wie die Trenneinrichtung
im Tank eines zweistufigen Wärmetauschers.
Stattdessen endet sie kurz vor einer an der Oberseite der beiden
Kammern ruhenden Kuppel und erzeugt eine zwangsumgekehrte U-Strömung nach
oben und zurück
nach unten über die
Trennwand von einer Kammer zu der anderen. Ein Brenner in der Nähe des Bodens
der Brennkammer nimmt verdichtetes Brenngas und verdichtete Verbrennungsluft
auf und schickt diese nach oben und über die Trennwand in dem umgekehrten
U-Strömungspfad.
Horizontale Risse, die am unteren Ende der Trennwand unter dem Brenner
auftreten, können einem
Teil der verdichteten Luft und des verdichteten Brenngases erlauben,
den Brenner zu umgehen und direkt in die benachbarte Wärmespeicherkammer durch-
und überzutreten.
Um zu bestimmen, ob dies geschieht, wird ein Spürgas, das durch den Verbrennungsvorgang
chemisch verändert
wird, zusammen mit dem verdichteten Brenngas und der verdichteten Luft
eingeleitet. Wenn auf der anderen Seite der vertikalen Trennwand
chemisch unverändertes
Spürgas detektiert
wird, dann steht fest, dass es nicht nach oben und über die
Trennwand (wo es verändert
worden wäre)
gewandert ist, sondern unter Druck seitwärts durch die horizontalen
Risse am unteren Ende der Trennwand geströmt sein muss.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
druckloses Verfahren zum Erkennen von innen liegenden Lecks von
Wärmetauschern
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist durch die in Anspruch 1 beschriebenen Merkmale gekennzeichnet.
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Bei
der Ausführungsform
des offen gelegten Verfahrens ist der Verflüssiger mit dem Einlass- und Auslasstank
vertikal orientiert ausgerichtet. Daher sind die Strömungsrohre
naturgemäß horizontal
orientiert. Eine Öffnung
durch die Tankwand, an der am Ende die Kältemitteleinlass- und -auslassnippel
angebracht werden, ist sowohl oberhalb als auch unterhalb der Trenneinrichtung
vorhanden. Daher sind sowohl der Tank als auch die Trenneinrichtung
einfach Umgebungsluft bei Umgebungsdruck ausgesetzt. Ein Prüfgas wie
z. B. Helium wird durch eine Tanköffnung unter der Trenneinrichtung
eingeführt.
Da das Prüfgas
leichter ist, steigt es auf und sammelt sich am Ende unter der Trenneinrichtung.
Das aufsteigende Prüfgas
neigt nicht dazu, seitwärts
in die Öffnungen
der horizontal orientierten Strömungsrohre
zu strömen.
Eine Prüfsonde
wird in die andere Tanköffnung
oberhalb der Trenneinrichtung eingeführt. Wenn, und nur wenn um
oder durch die Trenneinrichtung ein offener Leckpfad vorhanden ist,
dann wird das Vorhandensein von durchgesickertem Prüfgas über der
Trenneinrichtung detektiert. Es wird kein Prüfgas durch die Kältemittelströmungsrohre
zu der oberen Seite der Trenneinrichtung geströmt sein.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Ziele der Erfindung werden aus der folgenden schriftlichen
Beschreibung deutlich sowie aus der Zeichnung, die schematisch einen
zweifstufigen Verflüssiger
darstellt, der gemäß dem Verfahren
der Erfindung einer Leckprüfung
unterzogen wird.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnung ist ein Wärmetauscher in Form eines zweistufigen
Verflüssigers
im Allgemeinen bei 10 bezeichnet. Dieser weist zwei im
Allgemeinen bei 12 und 14 bezeichnete Verteilertanks
auf, die durch eine Vielzahl von Strömungsrohren 16, deren
Enden sich durch die Seitenwände
der beiden Tanks 12 und 14 öffnen, überbrückt sind. Ein Tank 14 ist
einfach ein Rücklauftank. Der
andere Tank 12 weist eine erste, untere Öffnung 18 und
eine zweite, obere Öffnung 20 auf.
Die Öffnungen 18 und 20 werden
am Ende einen darin eingebauten Kältemitteleinlass- und -auslassnippel
aufweisen, doch an diesem Punkt sind sie einfache Öffnungen.
In dem Tank 12 ist zwischen den beiden Öffnungen 18 und 20 eine
Trenneinrichtung 22, die mit der Innenfläche des
Tanks 12 leckfrei verlötet
sein kann oder auch nicht, eingebaut.
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Um
zu bestimmen, ob die Trenneinrichtung 22 leckfrei ist,
wird der Verflüssiger 10 wie
dargestellt ausgerichtet und mit den Tanks 12 und 14 im
Wesentlichen vertikal und den Rohren 16 im Wesentlichen horizontal
gehalten. Oder die Rohre 16 könnten leicht nach unten geneigt
werden, so dass alle Rohrenden, die in den Tank 12 eintreten,
etwas höher
sind als jene, die in Rücklauftank 14 eintreten.
Das Innere des Tanks 12 und die Trenneinrichtung 22 sind
einfach Umgebungsluft bei Umgebungsdruck ausgesetzt. Als Nächstes wird
ein Prüfgas
mit geringer Dichte, in diesem Fall Helium, in die untere Öffnung 18 eingespritzt,
und es steigt naturgemäß auf und
verdrängt Luft,
um sich unter der Trenneinrichtung 22 zu sammeln. Das Helium
wird nicht seitwärts
die Rohre 16 hinunterströmen und den Rücklauftank 14 erreichen. Die
zuvor erwähnte,
leichte Neigung könnte
dabei helfen zu gewährleisten,
dass kein Helium seitwärts in
den Rücklauftank 14 strömt. Eine
Heliumprüfsonde 24 wird
in die obere Tanköffnung 20 eingeführt. Wenn,
und nur wenn ein Leckpfad durch die Trenneinrichtung 22 vorhanden
ist, detektiert die Sonde 24 das Vorhandensein von Helium.
Je schlimmer das Leck, umso schneller wird es detektiert, wenn aber kein
Leck vorhanden ist, wird es überhaupt
nicht detektiert. Eine geeignete Ablesevorrichtung 26 zeigt an,
was die Sonde 24, wenn überhaupt
etwas, detektiert hat.
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Daher
sind kein Druck oder eine kostspielige, langsame, invasive Prüfung erforderlich.
Es wäre auch
möglich,
ein schwereres Gas über
der Trenneinrichtung 22 einzuspritzen und dessen Vorhandensein
oder Nichtvorhandensein unterhalb der Trenneinrichtung 22 zu
detektieren, nachdem es gesunken ist. Es würden dieselben Vorteile erzielt.