EP1247601B1

EP1247601B1 - Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers für einen Brennwertkessel durch Giessen sowie bei der Durchführung des Verfahrens anzuwendender Kern für eine Giessform

Info

Publication number: EP1247601B1
Application number: EP02003705A
Authority: EP
Inventors: Johannes Clemens Beukers; Rainer Witting; Hajo Wilken
Original assignee: AUGUST BROETJE GmbH; August Brotje GmbH
Current assignee: AUGUST BROETJE GmbH; August Brotje GmbH
Priority date: 2001-03-23
Filing date: 2002-02-19
Publication date: 2006-10-25
Anticipated expiration: 2022-02-19
Also published as: DK1247601T3; ES2273930T3; DE10114705A1; ATE343440T1; EP1247601A3; DE50208519D1; EP1247601A2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers für einen Brennwertkessel, wobei zunächst eine Gießform vorbereitet und mit Kernen zur Ausbildung der wasserseitigen und brenngasseitigen Flächen im Wärmetauscher ausgerüstet wird und danach die Gießform abgegossen und anschließend der gegossene Wärmetauscher entformt und einer Nachbearbeitung unterzogen wird. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Kernpaket zur Ausführung des Verfahrens.
Ein Verfahren der vorbeschriebenen Art ist nach der JP 4 189 101 A bekannt.
Wärmetauscher, insbesondere Wärmetauscher für hocheffektive Brennwertkessel, sind zumeist Gußstücke aus Aluminiumlegierungen. Brennwertkessel werden mit unterschiedlichen Leistungen hergestellt und angeboten. Je höher die Leistung des Brennwertkessels ist, desto größer muß seine Wärmetauscherfläche sein, um die Anforderungen erfüllen zu können.
Ein Angebot eines Herstellers für Wärmeerzeuger umfaßt häufig nicht nur unterschiedliche Kesseltypen, sondern auch die Unterteilung jedes Kesseltyps in verschiedene Leistungsklassen, wobei der kleinste, beispielsweise für den Einsatz in Haushalten gedachte Brennwertkessel zum Beispiel eine Leistung von 10 KW bis 15 KW aufweisen kann. Größere Kessel weisen entsprechend höhere Leistungen auf, wobei baulich bzw. konstruktiv jedes beliebige Leistungsvermögen erreicht werden kann. Grenzen werden lediglich durch am jeweiligen Einsatzort noch mögliche Dimensionierungen gesetzt. Dies führt dazu, daß der Hersteller ein breit gefächertes Sortiment mit einer Vielzahl unterschiedlicher Wärmeerzeuger herstellen und bereithalten muß.
Es ist bereits bekannt, Wärmetauscher aus einzelnen Komponenten zusammenzusetzen, um mit einfachen Produktionsmitteln zu einer Variation der Heizflächen und damit des Leistungsvermögens zu kommen. Dieses Prinzip ist beispielsweise bei Gliederkesseln verwirklicht, und in der AT 389 754 B beschrieben.
Der Zusammenbau von einzelnen Gliedern erfordert jedoch erheblichen Montageaufwand und zwischen den einzelnen Gliedern eines Wärmetauschers können sich oftmals Dichtungsprobleme ergeben, insbesondere aufgrund von vorhandenen Wärmespannungen im Bereich der einzelnen Trennfugen zwischen den Gliedern und zwar sowohl auf der Wasserseite als auch auf der Abgasseite.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers zu finden, bei dem die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht mehr auftreten.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Es wird jeweils eine vorbestimmte Anzahl gleichgestalteter Kerne für die Ausbildung wasserseitiger Flächen abwechselnd mit ebenfalls gleichgestalteten Kernen für die Ausbildung brenngasseitiger Flächen aneinandergereiht und als Summe im Monoblock in einer Form abgegossen wird.
Dabei wird so vorgegangen, daß die Anzahl aneinandergereihter Kerne in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung der herzustellenden Wärmetauscher gewählt wird.
Während bei den bekannten Verfahren eine Vielzahl gleicher Glieder gegossen wird und dann mehrere solcher Glieder nach ihrer Fertigbearbeitung zu einem Wärmetauscher mit der gewünschten Leistung zusammengefügt werden, geht die Erfindung davon aus, Gießformen so vorzubereiten, daß durch Einsetzen stets gleichgestalteter Kerne ein Kernpaket gebildet werden kann, welches als Einheit, sozusagen als Monoblock, abgegossen wird und dadurch einen einteiligen Wärmetauscher des jeweils gewünschten Leistungsvermögens ausbildet, der dann lediglich geringfügig nachzubearbeiten ist.
Jeder Kern ist so gestaltet, daß er eine Grundeinheit ausbildet, die, wenn sie in eine Form eingesetzt ist, zur Ausbildung eines Wärmetauschers nach dem Abgießen führt, der beispielsweise ein Leistungsvermögen von 10 KW oder 15 KW hat. Durch Vervielfältigung aneinandergereihter Grundeinheiten bzw. Kerne zu einem Paket entstehen dann nach dem Abgießen auf einfachste Weise Wärmetauscher mit beispielsweise 20, 30, 45 oder 60 KW.
Bei dem vorbeschriebenen Verfahren zum Herstellen von Wärmetauschern werden Kerne angewendet, die ebenfalls in erfinderischer Weise ausgestaltet sind. Jeder Kern, der als sogenannte Grundeinheit vorliegt, zeichnet sich dadurch aus, daß er eine in etwa einer Platte, vorzugsweise einer rechteckigen Platte, gleichende Grundform aufweist, daß in einem Eckbereich an einem Ende eines der beiden Längsränder der Platte eine erste Formgebung zur Ausbildung eines Wasserraumes vorgesehen ist, welcher einem Heizungsvorlauf des herzustellenden Wärmetauschers entspricht und daß in einem Eckbereich am gegenüberliegenden Ende desselben Längsrandes der Platte eine zweite Formgebung zur Ausbildung eines einem Heizungsrücklauf entsprechenden Wasserraumes vorgesehen ist.
Die vorbeschriebene Ausgestaltung eines Kerns zur Bildung der wasserseitigen Flächen eines Wärmetauschers, für die auch selbständiger Schutz beansprucht wird, hat den Vorteil, daß eine relativ glatte bzw. ebene Rückseite des auszubildenden Wärmetauschers entsteht, wobei die Rückseite in etwa dem Längsrand der Platte entspricht, die die Grundform eines Kerns bildet. Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf sind durch die ausbildenden Formgebungen des Kerns in diesen Bereich der Rückseite gelegt und können folglich an einer Vorderseite des hergestellten Wärmetauschers ausmünden. Dies wirkt sich besonders vorteilhaft auf die Bauform eines Brennwertkessels aus. Ein Brennwertkessel mit erfindungsgemäß hergestellten Wärmetauschern ist einfach zu installieren bzw. auch als Wandgerät zu montieren, weil sich die wesentlichen wasserseitigen Anschlüsse dann in einem vorderseitigen Bereich des Heizkessels befinden können, in dem sie auch gut zugänglich sind und Dichtstellen leicht auf Leckagen prüfbar sind.
Ein aus mehreren gleichen Kernen zusammengesetztes Kernpaket wird in eine Gießform zum Gießen eines Wärmetauschers eingesetzt. Dabei ist die Anordnung mehrerer Kern-Grundformen derart, daß die Formgebungen bei zu einem Kernpaket zusammengesetzten Kernen miteinander in einer quer zu den die Grundformen der Kerne bildenden Platten verlaufenden Flucht liegen, sowohl in den einzelnen Kernen als auch in den gleichen Kernen, aus denen ein Kernpaket zusammengesetzt ist. Demzufolge haben sich, nach dem Verguß, im Wärmetauscher durchgehende wasserführende Wege bzw. durchgehende abgasführende Wege gebildet. Insbesondere sind durchgehende Wasserräume sowohl für Heizungsvorlauf als auch für Heizungsrücklauf ausgebildet, wenn die Formgebungen wie vorbeschrieben, fluchten.
Die Kerne sind so gestaltet, daß die von ihnen ausgebildeten Hohlräume zur Wasserführung einen Zwangsweg vorgeben, der zu einer etwa mäanderförmigen Durchströmung von unten nach oben führt. Unten ist der dem Heizungsrücklauf entsprechende Wasserraum vorhanden, oben eine Formgebung zur Ausbildung eines Wasserraumes, der dem Heizungsrücklauf entspricht.
Sind mehrere Kerne zu einem Kernpaket aneinandergereiht bzw. zusammengesetzt, wobei die Formgebungen für die Ausbildung von Heizungsrücklauf und Heizungsvorlauf entsprechenden Wasserräumen miteinander fluchten, ist dies Prinzip der gewünschten Zwangsdurchströmung vom Heizungsrücklauf zum Heizungsvorlauf bei dem unter Anwendung solcher Kerne gegossenen Wärmetauscher nur dann gegeben, wenn sich die Anschlüsse für Heizungsrücklauf und Heizungsvorlauf an unterschiedlichen Seiten des Wärmetauschers des Kessels befinden. Dieses Strömungsprinzip ist in Fachkreisen bei mehrgliedrigen Wärmetauschern auch als sogenannter "Tichelmann" bekannt.
Wird ein Wärmetauscher nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Kerns hergestellt, ist es jedoch möglich, die Anschlüsse für Heizungsrücklauf und Heizungsvorlauf an derselben Seite des ausgebildeten Wärmetauschers bereitzustellen und dennoch eine Zwangsdurchströmung sämtlicher wasserführender Räume des Wärmetauschers parallel im Bereich der Heizflächen zu gewährleisten.
Diese Vorteile werden nach einer Weiterbildung des für die Ausbildung wasserseitiger Flächen anzuwendenden Kerns dadurch erreicht, daß die zur Ausbildung eines dem Heizungsvorlauf entsprechenden Wasserraumes vorgesehene erste Formgebung mit einer Gestaltung kombiniert ist, die der Ausbildung eines Wasserraumes dient, der einem parallel zum Heizungsvorlauf ausgerichteten, davon jedoch getrennten Sammlerkanal entspricht.
Durch den erfindungsgemäßen Kern wird folglich ein Wärmetauscher ausgebildet, bei dem das über den Heizungsrücklauf zugeströmte Wasser, welches sich bei der Durchströmung des Wärmetauschers erwärmt hat, zunächst in einen Sammlerkanal übertritt. An einem an der jeweiligen seitlichen Außenfläche des Wärmetauschers liegenden, vorbestimmten Ende ist der Sammlerkanal offen und mündet in einen Wasserraum aus, der dem vorbeschriebenen Heizungsvorlauf entspricht.
Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, daß der Kern an seiner ersten Seite, welche derjenigen zweiten Seite gegenüberliegt, die an der Ausbildung von mittels Nachbearbeitung zu öffnender Anschlüsse für Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf beteiligt ist, ein Kernstück ansetzbar ist, welches der Gestaltung eines vor den Austritt des Sammlerkanals sitzenden Umlenkorganes dient, das aus dem Ende des Sammlerkanals austretendes
Wasser in und durch den Heizungsvorlauf zur gegenüberliegenden zweiten Seite des jeweils gegossenen Wärmetauschers zurückzuleiten vermag. An dieser Seite, bzw. seitlichen Außenfläche, zu der zurückgeleitet wird, befindet sich bei einem fertigen Wärmetauscher ein Anschluß für den Heizungsvorlauf, so daß im Wärmetauscher erwärmtes Heizungswasser in einen Heizkreislauf abströmen kann.
Diese Ausgestaltung des Kerns mit einem Kernstück, welches der Ausbildung eines Umlenkorgans dient, wird sowohl bei einem Einzelkern, der zum Abgießen eines Wärmetauschers mit relativ geringer Leistung verwendet wird, eingesetzt, als auch bei einem Kernpaket, das als Monoblock abgegossen wird. Dadurch, daß bei einem Kernpaket die Formgebungen zur Ausbildung des Sammlerkanals, des Heizungsvorlaufs und des Heizungsrücklaufs miteinander fluchten, sind bei jedem gegossenen Wärmetauscher durchgehende wasserführende Räume vorhanden, so daß auch das Umlenkorgan lediglich nur einmal an einer Seite durch Angießen mittels des angesetzten Kernstücks auszubilden ist.
Die Kerne können so vorgefertigt werden, daß sie zur Bildung von Kernpaketen bereitgestellt werden können. Es lassen sich damit ohne weiteres in kürzester Zeit Wärmetauscher mit unterschiedlichen Leistungen in relativ hohen Stückzahlen fertigen, wobei auch eine Fertigungsumstellung auf größere oder kleinere Wärmetauscher keine wesentlichen Rüstzeiten erfordert, da stets gleiche Kerne verwendet werden.
Die Kerne bestehen in üblicher Weise aus mit Bindemittel vermischtem Sand, wobei die Bindemittel vorzugsweise aushärtbar sind. Durch die Temperatur der vergossenen Metallschmelze verdampft das Bindemittel, so daß sich jeder gegossener Wärmetauscher durch einfaches und übliches Abrütteln des Formsandes entkernen läßt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1:: eine Ansicht eines Kerns für die Ausbildung wasserseitiger Flächen in seiner Grundform, wie er bei dem Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers zur Anwendung kommt;
Fig. 2:: eine Ansicht von zwei Kernen gemäß Fig. 1 nach Art einer Explosionsdarstellung in Richtung des Pfeils II in Fig. 1 gesehen;
Fig. 3:: die Ansicht eines aus zwei Kernen entsprechend Fig. 2 zusammengesetzten Kernpaketes mit durch strichpunktierte Linien angedeuteter, das Kernpaket umgebender Gießform;
Fig. 4:: die schematische Ansicht der Gießform gemäß Fig. 3 in Richtung des Pfeils IV in Fig. 3 gesehen und
Fig. 5:: eine Ansicht eines aus vier Kernen gemäß Fig. 1 aneinandergereihten bzw. zusammengesetzten Kernpaketes.

Um einen Wärmetauscher, hier einen Wärmetauscher für einen Brennwertkessel herzustellen, wird zunächst eine Gießform vorbereitet und mit einem Kern 1 ausgerüstet, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, und der zur Ausbildung der wasserseitigen Flächen im Wärmetauscher dient. Der Kern 1 wird selbstverständlich mit hier nicht weiter dargestellten Kernen kombiniert, die der Ausbildung brenngasseitiger Flächen dienen. So kann beispielsweise der hier in Fig. 1 dargestellte Kern 1 beidseitig mit Kernen für Brenngasräume eingefaßt sein, also zwischen zwei Kernen für Brenngasräume angeordnet werden. Der Kern 1 weist eine in etwa einer rechteckigen Platte 2 gleichende Grundform auf. In einem Eckbereich an einem Ende eines Längsrandes 4 der beiden Längsränder 3, 4 der Platte 2 ist eine erste Formgebung 5 zur Ausbildung eines Wasserraumes vorgesehen, welcher einem Heizungsvorlauf des herzustellenden Wärmetauschers entspricht. Der Heizungsvorlauf ist hier mit der Bezugszahl 6 bezeichnet. In einem Eckbereich am gegenüberliegenden Ende desselben Längsrandes 4 der Platte 2 ist eine zweite Formgebung 7 zur Ausbildung eines einem Heizungsrücklauf 8 entsprechenden Wasserraumes vorgesehen. Die zur Ausbildung eines dem Heizungsvorlauf 6 entsprechenden Wasserraumes vorgesehene erste Formgebung 5 ist mit einer Gestaltung 9 kombiniert, die der Ausbildung eines Wasserraumes dient, der einem parallel zum Heizungsvorlauf 6 ausgerichteten, davon jedoch getrennten Sammlerkanal 10 entspricht.
Mit 11 ist ein Kernstück bezeichnet, welches der Gestaltung eines bei dem fertigen Wärmetauscher vor dem Sammlerkanal 10 sitzenden Umlenkorgans dient, das aus dem hier sichtbaren Ende des Sammlerkanals 10 austretendes Wasser in und durch den Heizungsvorlauf 6 zur gegenüberliegenden Seite 14 (Fig. 4) des jeweils gegossenen Wärmetauschers zurückzuleiten vermag, wobei die gegenüberliegende Seite des Wärmetauschers der zweiten Seite 14 der in Fig. 4 gezeichneten Form entspricht.
Fig. 2 zeigt zwei nebeneinander stehende Kerne gemäß Fig. 1 in Richtung des Pfeils II in Fig. 1 gesehen. Die beiden Kerne 1 und 1' sind zu einem Paket zusammensetzbar, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszahlen, gegebenenfalls mit Index, bezeichnet, wobei in Fig. 2 durch die Pfeile 12 und 13 die bei einem fertigen Wärmetauscher gegebene Strömungsrichtung eines Heizungsrücklaufes (Bezugszahl 12) und eines Heizungsvorlaufes (Bezugszahl 13) angedeutet ist.
Fig. 3 zeigt das aus den beiden Kernen 1 und 1` zusammengesetzte Kernpaket und verdeutlicht, daß miteinander fluchtende Wasserräume ausgebildet werden können. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Durch strichpunktierte Linien ist eine das aus den Kernen 1 und 1' zusammengesetzte Kernpaket umgebende Gießform verdeutlicht.
In Fig. 4 ist die Gießform bzw. die Außenkontur eines Wärmetauschers noch einmal schematisch in einer Ansicht dargestellt. Die auszuformenden Anschlußmöglichkeiten von Heizungsrücklauf und Heizungsvorlauf sind durch die entsprechenden Richtungspfeile einer Vorlauf- bzw. Rücklaufströmung 12 und 13 angedeutet.
Fig. 5 zeigt eine Ansicht eines aus insgesamt vier Kernen zur Ausbildung wasserseitiger Flächen zusammengesetzten Kernpaketes. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Fig. 5 verdeutlicht die besonders vorteilhafte Ausbildung einer ebenen Rückseite eines Wärmetauschers, bei dem die Anschlüsse für Heizungsvorlauf und Heizungsrücklauf an derselben Seite 14 (siehe Fig. 4) ausgebildet sind.
Die hier das Kernpaket noch ergänzenden Kerne zur Ausbildung brenngasseitiger Flächen des herzustellenden Wärmetauschers sind nicht gezeichnet. Entsprechende Kerne können beispielsweise die Räume zwischen den hier sichtbaren Platten ausfüllen und somit in die gebildeten Pakete integriert sein.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Wärmetauschern für einen Brennwertkessel mit wechselnden Leistungsklassen, wobei zunächst eine Gießform vorbereitet und mit Kernen zur Ausbildung der wasserseitigen und brenngasseitigen Flächen im Wärmetauscher ausgerüstet wird und danach die Gießform abgegossen und anschließend der gegossene Wärmetauscher entformt und einer Nachbearbeitung unterzogen wird
dadurch gekennzeichnet,
daß jeweils eine Grundeinheit bildende gleischgestaltete Kerne (1, 1') für die Ausbildung der wasserseitigen bzw. brenngassertigen Flächen zu einem Kernpaket aneinandergereiht werden,
wobei die Anzahl der Kerne eines Kernpaketes in Abhängigkeit von der gewünschten Leistung des jeweils herzustellenden Wärmetauschers gewählt wird, und
daß das Kernpaket in die Gießform eingesetzt und abgegossen wird.
Kernpaket zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernpaket aus gleichgestalteten Kernen, die jeweils eine einer rechteckigen Platte (2) gleichende Grundform aufweisen, zusammengesetzt ist.
Kernpaket nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Eckbereich an einem Ende eines Längsrandes (4) der beiden Längsränder jeder Platte (2) eine erste wasserseitige Formgebung (5) für einen Heizungsvorlauf (6, 6') des herzustellenden Wärmetauschers, und in einem Eckbereich am gegenüberliegenden Ende desselben Längsrandes (4) der Platte (2) eine zweite wasserseitige Formgebung (7) für einen Heizungsrücklauf (8, 8') vorgesehen ist.
Kernpaket nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Formgebungen (5,7) jedes Kerns so angeordnet sind, daß sie bei zu einem Kernpaket zusammengesetzten Kernen (1,1') in einer quer zu den Platten (2) verlaufenden Flucht liegen.
Kernpaket nach einem der Ansprüche 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die erste Formgebung (5) mit einer Gestaltung (9,9) für einen wasserseitigen Sammlerkanal (10) kombiniert ist.
Kernpaket nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Kernstück (11) für ein vor dem Austritt des Sammlerkanals (10) sitzendes Umlenkorgan.