WO2016070998A1 - Verfahren zur herstellung eines wärmetauschers sowie mittels des verfahrens hergestellter wärmetauscher - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines wärmetauschers sowie mittels des verfahrens hergestellter wärmetauscher Download PDF

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WO2016070998A1
WO2016070998A1 PCT/EP2015/002226 EP2015002226W WO2016070998A1 WO 2016070998 A1 WO2016070998 A1 WO 2016070998A1 EP 2015002226 W EP2015002226 W EP 2015002226W WO 2016070998 A1 WO2016070998 A1 WO 2016070998A1
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heat exchanger
wall element
welded
connection unit
exchanger block
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PCT/EP2015/002226
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Jörg DIETRICH
Reinhold Hölzl
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Linde Aktiengesellschaft
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/06—Fastening; Joining by welding

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a heat exchanger, in particular a soldered plate heat exchanger, and to the heat exchanger itself.
  • Brazed plate heat exchangers made of aluminum have been established in numerous systems for heat transfer at various pressures and temperatures. For example, they are used in the separation of air, the liquefaction of natural gas or in plants for the production of ethylene.
  • Such a plate heat exchanger is e.g. in ALPEMA report (2000), an image taken therefrom is shown in FIG. 1 as state of the art and described below.
  • Heat exchange between different process streams e.g. realize the illustrated process streams A, B, C, D and E. It is cuboid shaped and provided with several means 6 for supply and discharge of the individual process media. These means 6 are also referred to as nozzles.
  • the heat exchanger also has a plurality of connection devices 7 for distributing and collecting the individual process streams A, B, C, D and E, which are also referred to as headers.
  • the plate heat exchanger 1 comprises a plurality of stapeiförmig arranged passages 3, which are separated by partitions 4 from each other. In the individual passages 3, the various media can flow.
  • Heat exchange takes place indirectly via the thermal contact, which is realized by the separating plates 4 and by the wave-shaped structure (also referred to as fins) arranged in the passages.
  • the individual media A, B, C, D and E are guided in the connection devices or header 7 and so on the respective provided, Stapeiförmig arranged passages 3 distributed.
  • distributor fins 2 are arranged, which ensure a uniform distribution of the medium within the individual passages 3. The media thus flow transversely to the shaft direction of the fins 3 through the passages 3.
  • the fins 3 are connected to the baffles 4, whereby an intensive bathleittitle is produced. This allows heat exchange between two different media flowing in adjacent passages 3.
  • Such plate heat exchangers are ideal for heat exchange between at least two media.
  • suitable constructions allow more than two media to exchange heat
  • Plate heat exchangers are for example brazed aluminum.
  • the individual passages with the fins, distributor fins, cover plates and edge strips are stacked on each other, provided with solder and brazed in an oven.
  • the corrugated fins are soldered to the adjacent dividers 4.
  • the corrugated and soldered fins transmit the forces generated by the internal pressure and are thus significantly responsible for the strength of the heat exchanger block.
  • connecting devices 7 and nozzle 6 are welded.
  • connection devices 7 to the heat exchanger block 1 are usually carried out with the aid of a pad for welding seam protection, which has an influence on the formation of the root of the weld.
  • connection device 7 is designed with a correspondingly thicker wall thickness, so that an increased use of material can be recorded here.
  • connection device 7 due to the welding of the connection device 7 to the
  • Heat exchanger block 1 from the outside of the connection device 7 the risk that the forming on the inside of the connection device 7 seam root weakened and / or is not carried out consistently, so that sets in this area in particular a lower fatigue strength under alternating load.
  • Connection device 7 the risk of the formation of cracks and thus of
  • Termination device or header is welded together from two segments of conventional header output components. This makes it possible to produce a header with a length which is considerably larger than that which can be produced on conventional machines. The welding of the so produced
  • Connection device to the plate heat exchanger block or the welding of the individual header segments can, however, only from the outside of the
  • the invention is therefore based on the object to provide a method for producing a heat exchanger and the heat exchanger itself available, with the manufacturing process of the heat exchanger, which is in particular a soldered plate heat exchanger, can be produced in a cost-effective manner, and the heat exchanger a long life with a low risk of
  • Process according to the invention are specified in the subclaims 2 to 7.
  • Advantageous embodiments of the heat exchanger according to the invention are specified in the subclaims 9 and 10.
  • Soldered plate heat exchangers can be produced in particular using the method according to the invention for producing a heat exchanger. This is a
  • Connection device provided to the heat exchanger block, wherein the
  • connection device for supply or discharge or distribution of process media is designed.
  • the connection unit comprises at least one wall element.
  • connection device is provided.
  • the connection unit is welded to the heat exchanger block.
  • at least one wall element of the connection unit is welded on its inside and on its outside and thus on both sides of its wall to the heat exchanger block. Thereafter, the connection device is welded to the connection unit.
  • Heat exchanger block is welded.
  • the first page is the page, the input or output areas of the passages and thus during operation of the
  • Heat exchanger faces the process media and thus represents the inside.
  • the second side is the input and output areas of the
  • Heat exchanger block are welded, a cohesive connection between the connection unit and the heat exchanger block over the entire wall thickness is defined and therefore also with simple, preferably
  • connection device welded to the connection unit thus forms, together with the connection unit, a so-called "header", wherein the connection unit can be referred to as a first header part and the connection device as a second header part
  • Connection device are to be welded or welded to the nozzles
  • connection device and the connection device as well as the material thickness of the connection unit and the connection device are preferably the same and no gaps are to be bridged on the heat exchanger block as in the conventional welding of a connection device
  • the welding of the connection device to the connection unit is much less critical, easier to handle and also to control than the conventional one - sided weld between the connection device and the Heat exchanger block.
  • the welding of the connection device to the connection unit can be carried out with relatively little effort and nevertheless ensures a relatively high degree of strength.
  • the inventive method offers the advantage of easier maintenance or repair by the possibility of opening the out
  • Connection unit and connection device produced "header" in or at the weld, which connects the connection unit with the connection device, so that a separation process or a re-weld can be avoided close to the heat exchanger block.
  • connection unit is designed in the form of a frame which has at least one wall element, and each wall element of the frame is welded on both sides with the heat exchanger block.
  • This frame can z. B. rectangular shaped, wherein it comprises four angularly interconnected wall elements.
  • the inside of the frame thus represents the first side of this frame
  • the frame is welded to the inside and outside of the heat exchanger block.
  • the frame is made of the used for the preparation of the connection device output semi-finished, such. B. by
  • Form annular segment with an angle of 120 ° to 170 ° This means that the remaining after cutting the frame rest of the starting semifinished product in cross section at an angle of 120 ° to 170 °, preferably from 130 ° to 160 °, wherein the apex of the angle in the cross section of
  • connection unit and the connection device are made of the same material and have a complementary shape and equal radii of the wall in the region of the connection of the connection unit to the connection device, so that a weld of the two Components can be made under optimal conditions.
  • already existing lateral connection surfaces can also be cut off in the semifinished product, which together with the hollow cylinder edges then form a complete frame and consequently the connection unit.
  • first the cut hollow cylinder edges are welded and then lateral end plates
  • connection unit which together with the hollow cylinder edges form the frame and thus the connection unit.
  • Heat exchanger block should be made on both sides over the entire length of the wall element. This ensures optimum tightness of the connection device. If desired reduction of the welding effort, however, one side of the wall element can only be stapled and welded on the other side of the wall element over the entire length of the heat exchanger block. However, then the desired benefits occur only in the area of stapling.
  • Wall element to the heat exchanger block successively done on both sides of the wall element. This means that first the first side of the wall element is welded over its entire length with the heat exchanger block and then the opposite, second side of the wall element with the
  • Heat exchanger block is welded.
  • connection device is preferably connected to the connection unit by means of
  • Connection device can be provided.
  • Heat exchanger block should be performed a weld inspection, preferably by means of ultrasound or X-ray. Upon detection of
  • a heat exchanger is further provided, which may be in particular a soldered plate heat exchanger.
  • Heat exchanger comprises a heat exchanger block, a connection unit for connecting a supply means or distribution of process media serving connection means to the heat exchanger block, and the connection means.
  • the connection unit is welded to the heat exchanger block and the
  • Connection device is welded to the connection unit. It is
  • connection unit at least one
  • Wall element which is welded to its inside and on its outside and thus on both sides of the wall to the heat exchanger block.
  • connection unit is designed in the form of a frame which has at least one wall element, and each wall element of the frame is welded on both sides with the heat exchanger block.
  • the wall element or the connection unit produced thereby as well as the connection device are preferably made of the aluminum alloy 5083.
  • the plates of the heat exchanger are preferably made of the aluminum alloy 3003. Due to the fact that the different materials connecting welding the connection unit to the heat exchanger block on both sides of the Walls of the wall elements of the connection unit is done here is despite
  • Fig. 2 a section of the area of the means of a connection unit
  • Connecting device 7 to the heat exchanger block 1 shows the surface of the heat exchanger block 1, a connection unit 9 shown in cross section and also shown in cross section connecting device 7, to which a means 6 for supplying and discharging media is connected by welding technology.
  • connection unit 9 here is a wall element 10 is shown, which optionally forms a frame with not shown here further wall elements.
  • the wall element 10 is on a first side 1 1, which the outside of the
  • Connecting unit 9 forms, by means of a first seam 13 with the
  • Heat exchanger block 1 welded. On the inside of the wall element 10, which represents the second side 12, the wall element 10 with the
  • Heat exchanger block 1 welded by a second seam 1.
  • the first seam 13 and the second seam 14 are designed in such a way that the respectively later welded seam has melted the seam root of the previously welded seam, as a result of which a substantially homogeneous structure is created between the heat exchanger block 1 and
  • first seam 13 and / or the second seam 14 is not limited to the illustrated V-seam, but both seams 13, 14 can each also as a
  • the wall thickness of the wall element 10 in the weld area and thereby causes an increased static load-bearing capacity. It can be seen that by executing welds on both sides of the wall element 10, a defined throat thickness as well as an optimal inspection of the welds is possible, so that a targeted weld calculation and design of the welded joint and also the thickness of the wall element 10 is possible, resulting in - Depending on the load of the heat exchanger or the connecting device arranged thereon - to a lower wall thickness of
  • connection device 7 is connected by welding to the connection unit 9 or its wall elements 10 by means of a V-seam 15.
  • the illustrated pad 16 is arranged.
  • the wall element 10 and the connection device 7 have the same wall thickness and / or the same material, so that the welding between wall element 10 and connection device 7 can be carried out under optimum welding conditions. This can be achieved in particular by providing a hollow cylinder half as a semi-finished product for the production of the connection device 7 and separating edge regions of this hollow cylinder half, which are then the
  • Connecting unit 9 and their wall elements 10 represent. After described welding of the wall elements 10 to the surface of the heat exchanger block 1 can then in a simple manner the remaining remainder of the hollow cylinder half in the form of the connection device 7 fixed to this already welding technology
  • Connecting unit 9 and the connecting device 7 produce. Furthermore, due to the welding of wall elements 10 produced in this way and the connection device 7, the original shape of a hollow cylinder half and consequently an optimum welding connection adapted to the force flow in the connection device 7 are restored. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines gelöteten Plattenwärmetauschers, sowie den Wärmetauscher selbst. Zur Herstellung des Wärmetauschers, der insbesondere ein gelöteter Plattenwärmetauscher sein kann, ist vorgesehen, dass ein Wärmetauscherblock (1) und eine wenigstens ein Wandelement (10) umfassende Verbindungseinheit (9) zum Anschließen einer zur Zu- oder Abführung bzw. Verteilung von Prozessmedien vorgesehenen Anschlusseinrichtung (7) an den Wärmetauscherblock (1) bereit gestellt wird und die Verbindungseinheit (9) an den Wärmetauscherblock (1) angeschweißt wird. Dabei wird wenigstens ein Wandelement (10) der Verbindungseinheit (9) an seiner Innenseite (12) und an seiner Außenseite (11) an den Wärmetauscherblock (1) angeschweißt. Des Weiteren wird die Anschlusseinrichtung (7) bereit gestellt und diese Anschlusseinrichtung (7) wird an die Verbindungseinheit (9) angeschweißt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers sowie mittels des Verfahrens hergestellter Wärmetauscher Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines gelöteten Plattenwärmetauschers, sowie den Wärmetauscher selbst.
Hartgelötete Plattenwärmetauscher aus Aluminium haben sich in zahlreichen Anlagen zur Wärmeübertragung bei verschiedensten Drücken und Temperaturen etabliert. So finden sie beispielsweise Anwendung bei der Zerlegung von Luft, der Verflüssigung von Erdgas oder in Anlagen zur Herstellung von Ethylen.
Ein derartiger Plattenwärmetauscher wird z.B. in„The Standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufactures association" ALPEMA report (2000) beschrieben. Eine daraus entnommene Abbildung wird in der Figur 1 als Stand der Technik dargestellt und im Folgenden beschrieben.
Mit dem in Figur 1 dargestellten Plattenwärmetauscher 1 lässt sich ein
Wärmeaustausch zwischen verschiedenen Prozessströmen, wie z.B. den dargestellten Prozessströmen A, B, C, D und E realisieren. Er ist quaderförmig gestaltet und mit mehreren Mitteln 6 zur Zu- und Abführung der einzelnen Prozessmedien versehen. Diese Mittel 6 werden auch als Stutzen bezeichnet. Der Wärmetauscher weist ebenfalls mehrere Anschlusseinrichtungen 7 zum Verteilen und Sammeln der einzelnen Prozessströme A, B, C, D und E auf, welche auch als Header bezeichnet werden.
Im Wesentlichen umfasst der Plattenwärmetauscher 1 eine Vielzahl stapeiförmig angeordneter Passagen 3, die durch Trennbleche 4 voneinander getrennt sind. In den einzelnen Passagen 3 können die verschiedenen Medien strömen. Der
Wärmeaustausch erfolgt indirekt über den Wärmekontakt, der durch die Trennbleche 4 und durch die in den Passagen angeordnete wellenförmige Struktur (auch als Fins bezeichnet) realisiert wird. Über die Stutzen 6 werden die einzelnen Medien A, B, C, D und E in die Anschlusseinrichtungen bzw. Header 7 geführt und so auf die jeweils vorgesehenen, stapeiförmig angeordneten Passagen 3 verteilt. Im Eingangsbereich der Passagen sind sogenannte Verteilerfins 2 angeordnet, die für eine gleichmäßige Verteilung des Mediums innerhalb der einzelnen Passagen 3 sorgen. Die Medien strömen somit quer zur Wellenrichtung der Fins 3 durch die Passagen 3. Die Fins 3 sind mit den Trennblechen 4 verbunden, wodurch ein intensiver Wärmeleitkontakt hergestellt wird. Dies ermöglicht einen Wärmeaustausch zwischen zwei verschiedenen Medien, die in benachbarten Passagen 3 strömen. In Strömungsrichtung gesehen am Ende der Passage befinden sich ähnliche Verteilerfins 2, die die Medien aus den Passagen über Ausgangsbereiche in die Header 7 führen, wo sie gesammelt und über den Stutzen 6 abgezogen werden. Die einzelnen Passagen 3 sind durch Randleisten 8, sogenannten Sidebars, nach außen abgeschlossen. Die äußere Begrenzung des gesamten Wärmetauscherblockes wird durch Deckbleche 5 realisiert.
Derartige Plattenwärmetauscher sind hervorragend zum Wärmeaustausch zwischen mindestens zwei Medien geeignet. Durch geeignete Konstruktionen können jedoch, wie in Figur 1 dargestellt, auch mehr als zwei Medien am Wärmeaustausch
teilnehmen. Dies erlaubt eine sehr effiziente Prozessführung und eine effektive Nutzung der Temperaturdifferenzen. Plattenwärmetauscher werden beispielsweise aus Aluminium hartgelötet. Die einzelnen Passagen mit den Fins, Verteilerfins, Deckblechen und Randleisten werden aufeinander gestapelt, mit Lot versehen und in einem Ofen hartgelötet. Dabei werden auch die gewellten Fins mit den angrenzenden Trennblechen 4 verlötet. Die gewellten und verlöteten Fins übertragen die durch den Innendruck erzeugten Kräfte und sind dadurch maßgeblich für die Festigkeit des Wärmetauscherblockes verantwortlich. Auf den dadurch entstandenen Block werden dann Anschlusseinrichtungen 7 und Stutzen 6 aufgeschweißt.
Die Schweißung der Anschlusseinrichtungen 7 an den Wärmetauscherblock 1 erfolgt üblicherweise unter Zuhilfenahme einer Unterlage zur Schweißnahtsicherung, die einen Einfluss auf die Ausbildung der Wurzel der Schweißnaht hat. Nach der
Schweißung wäre zwar eine zerstörungsfreie Prüfung der Schweißnaht, z. B. durch Röntgen, sinnvoll, um Undichtigkeiten bzw. Risse erkennen zu können und ggf. die Schweißnaht nachzuarbeiten oder auch zu überschweißen. Aufgrund dessen, dass jedoch die Schweißung auf der unebenen bzw. von Spalten durchzogenen Außenseite des Plattenwärmetauscherblocks 1 erfolgt, bringt hier eine Röntgenuntersuchung keine auswertbaren Ergebnisse. Bei einer Ultraschallprüfung führen die Spalten in der Oberfläche des Wärmetauscherblocks 1 zu Fehlerechos. Diese eingeschränkte Prüfbarkeit sowie die hinsichtlich der Festigkeit nicht definierbare Aufmischzone, die durch die etwaige Verbindung von Lot des Wärmetauscherblocks 1 mit der Aluminium- Legierung der Platten des Wärmetauscherblocks 1 , welche vorzugsweise 3003 ist, und/oder mit der Aluminium-Legierung der Anschlusseinrichtung 7, welche
vorzugsweise 5083 ist, entstehen kann, lässt eine Qualitätssicherung nur mit relativ hohem Aufwand zu. Zur Sicherstellung, dass die realisierte Schweißverbindung zwischen Wärmetauscherblock 1 und Anschlusseinrichtung 7 die gewünschte
Festigkeit aufweist, ist demzufolge die Anschlusseinrichtung 7 mit einer entsprechend dickeren Wandstärke auszuführen, sodass hier ein erhöhter Materialeinsatz zu verzeichnen ist.
Zudem besteht aufgrund der Schweißung der Anschlusseinrichtung 7 an den
Wärmetauscherblock 1 von der Außenseite der Anschlusseinrichtung 7 die Gefahr, dass die sich an der Innenseite der Anschlusseinrichtung 7 ausbildende Nahtwurzel geschwächt und/oder nicht durchgängig ausgeführt ist, sodass sich in diesem Bereich insbesondere eine geringere Ermüdungsfestigkeit bei wechselnder Belastung einstellt. Bei nicht auszuschließender Endkraterbildung durch die Spalte im
Wärmetauscherblock 1 sowie durch die Verwendung der innenseitigen
Schweißnahtsicherung können sich Anrissstellen an der Innenseite der
Anschlusseinrichtung 7 ausbilden, die bei wechselnder Belastung der
Anschlusseinrichtung 7 die Gefahr der Ausbildung von Rissen und damit von
Undichtigkeiten erhöhen. Letztendlich ist auch aufgrund der Tatsache, dass bei der Anschweißung der Anschlusseinrichtung 7 an den Wärmetauscherblock 1
unterschiedliche Materialien zu verbinden sind, die Schweißung sowie die Festigkeit der hergestellten Schweißnaht mit Einschränkungen verbunden.
In der EP 1 124 107 A2 ist ein Plattenwärmetauscher dargestellt, dessen
Anschlusseinrichtung bzw. Header aus zwei Segmenten herkömmlicher Header- Ausgangsbauteile zusammengeschweißt ist. Dadurch lässt sich ein Header mit einer Länge herstellen, die wesentlich größer ist als die auf herkömmlichen Maschinen produzierbaren Header. Die Anschweißung der derart produzierten
Anschlusseinrichtung an den Plattenwärmetauscherblock bzw. die Anschweißung der einzelnen Header-Segmente kann dabei jedoch nur von der Außenseite der
Anschlusseinrichtung erfolgen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers sowie den Wärmetauscher selbst zur Verfügung zu stellen, wobei mit dem Herstellungsverfahren der Wärmetauscher, der insbesondere ein gelöteter Plattenwärmetauscher ist, in kostengünstiger weise hergestellt werden kann, und der Wärmetauscher eine lange Lebensdauer mit einem geringen Risiko der
Rissausbildung und Undichtigkeit vereint.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach Anspruch 1 sowie durch den erfindungsgemäßen
Wärmetauscher nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind in den Unteransprüchen 9 und 10 angegeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers lassen sich insbesondere gelötete Plattenwärmetauscher herstellen. Dabei wird ein
Wärmetauscherblock und eine Verbindungseinheit zum Anschließen einer
Anschlusseinrichtung an den Wärmetauscherblock bereitgestellt, wobei die
Anschlusseinrichtung zur Zu- oder Abführung bzw. Verteilung von Prozessmedien ausgestaltet ist. Die Verbindungseinheit umfasst wenigstens ein Wandelement.
Weiterhin wird die Anschlusseinrichtung bereitgestellt. Die Verbindungseinheit wird an den Wärmetauscherblock angeschweißt. Dabei wird wenigstens ein Wandelement der Verbindungseinheit an seiner Innenseite und an seiner Außenseite und somit an beiden Seiten dessen Wand an den Wärmetauscherblock angeschweißt. Danach wird die Anschlusseinrichtung an die Verbindungseinheit angeschweißt.
Das bedeutet, dass ein jeweiliges Wandelement an einer ersten Seite dessen Wand sowie an einer dieser ersten Seite gegenüberliegenden, zweiten Seite an den
Wärmetauscherblock angeschweißt wird. Die erste Seite ist dabei die Seite, die den Eingangs- bzw. Ausgangsbereichen der Passagen und somit bei Betrieb des
Wärmetauschers den Prozessmedien zugewandt ist und die damit die Innenseite darstellt. Die zweite Seite ist die den Eingangs- bzw. Ausgangsbereichen der
Passagen und demzufolge auch den Prozessmedien abgewandte Seite, die somit die Außenseite des Wandelements darstellt. Dadurch, dass das Wandelement und vorzugsweise sämtliche Wandelemente der Verbindungseinheit von beiden Seiten der jeweiligen Wand an den
Wärmetauscherblock angeschweißt werden, ist eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Verbindungseinheit und dem Wärmetauscherblock über die gesamte Wanddicke definiert und demzufolge auch mit einfachen, vorzugsweise
zerstörungsfreien Methoden prüfbar. Es lassen sich genaue geometrische
Nahtparameter realisieren und dementsprechend exakte
Ermüdungsfestigkeitsnachweise führen. Durch die beidseitige Anschweißung wird die Wand des Wandelementes im Bereich der Schweißung verbreitert, sodass bei statischer Belastung insgesamt eine größere Querschnittsfläche zur Übertragung der Kräfte anzunehmen ist als bei lediglich einseitiger Anschweißung. Demzufolge ist von einer Erhöhung der statischen Tragfestigkeit auszugehen. Insgesamt kann durch die definierte und schweißtechnisch optimierte Anschweißung des Wandelementes von einer Schweißverbindung mit höherer Festigkeit ausgegangen werden als bei lediglich einseitiger Anschweißung, sodass die Wanddicke des Verbindungselementes reduziert werden kann und/oder die zulässige Lastwechselzahl bei wechselnder Belastung gesteigert werden kann, so dass sich die Lebensdauer des Plattenwärmetauschers verlängern lässt. Insbesondere durch die Beseitigung der Nahtwurzel einer auf einer Seite des Wandelementes geschweißten Naht durch die Schweißung der
gegenüberliegenden Naht wird die Ermüdungsfestigkeit wesentlich erhöht.
Die an die Verbindungseinheit angeschweißte Anschlusseinrichtung bildet somit zusammen mit der Verbindungseinheit einen sogenannten„Header" aus, wobei die Verbindungseinheit als ein erstes Headerteil und die Anschlusseinrichtung als ein zweites Headerteil bezeichnet werden können. An diesen Header bzw. an die
Anschlusseinrichtung sind Stutzen anzuschweißen oder angeschweißt, um die
Zuführung der Medien und deren Verteilung in die Passagen des
Wärmetauscherblockes zu gewährleisten.
Dadurch, dass das Material der Verbindungseinheit und der Anschlusseinrichtung sowie auch die Materialstärke der Verbindungseinheit und der Anschlusseinrichtung vorzugsweise gleich sind und keine Spalte wie bei der herkömmlichen Anschweißung einer Anschlusseinrichtung auf den Wärmetauscherblock zu überbrücken sind, ist die Schweißung der Anschlusseinrichtung an die Verbindungseinheit wesentlich unkritischer, leichter zu handhaben und auch zu kontrollieren als die herkömmliche einseitige Schweißnaht zwischen der Anschlusseinrichtung und dem Wärmetauscherblock. Dadurch lässt sich die Schweißung der Anschlusseinrichtung an die Verbindungseinheit mit verhältnismäßig geringem Aufwand durchführen und gewährleistet dennoch eine relativ hohe Festigkeit.
Des Weiteren bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil der einfacheren Wartung bzw. Reparatur durch die Möglichkeit der Öffnung des aus
Verbindungseinheit und Anschlusseinrichtung hergestellten "Header" in oder an der Schweißnaht, die die Verbindungseinheit mit der Anschlusseinrichtung verbindet, so dass ein Trennvorgang bzw. eine erneute Schweißung dicht am Wärmetauscherblock vermieden werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Herstellung eines Wärmetauschers ist vorgesehen, dass die Verbindungseinheit in Form eines Rahmens ausgeführt ist, welcher wenigstens ein Wandelement aufweist, und jedes Wandelement des Rahmens beidseitig mit dem Wärmetauscherblock verschweißt wird. Dieser Rahmen kann z. B. rechteckig geformt sein, wobei er vier winklig miteinander verbundene Wandelemente umfasst.
Die Innenseite des Rahmens stellt somit die erste Seite der diesen Rahmen
realisierenden Wandelemente dar, und die Außenseite des Rahmens die zweite Seite dessen Wandelemente. Die Innenseite des Rahmens dient zur Führung der
Prozessmedien.
Der Rahmen wird an dessen Innen- und Außenseite auf den Wärmetauscherblock geschweißt. Vorzugsweise wird der Rahmen dabei aus dem zur Herstellung der Anschlusseinrichtung genutzten Ausgangs-Halbzeug gefertigt, wie z. B. durch
Abschneiden der der offenen Seite zugewandten Ränder eines im Wesentlichen halben Hohlzylinders, der eine herkömmliche Anschlusseinrichtung ausbildet. Dabei kann der verbleibende Rest des Ausgangs-Halbzeugs im Querschnitt ein
Kreisringsegment mit einem Winkel von 120° bis 170° ausbilden. Das bedeutet, dass der nach dem Abschneiden des Rahmens verbleibende Rest des Ausgangs-Halbzeugs im Querschnitt in einem Winkel von 120° bis 170°, vorzugsweise von 130° bis 160°, ausgeführt ist, wobei der Scheitelpunkt des Winkels im Querschnitt des
zylinderförmigen Halbzeugs mit dem Schnittpunkt der Längsache mit der
Querschnittsfläche zusammenfällt. Die abgeschnittenen Elemente bilden den Rahmen aus, der die Verbindungseinheit darstellt. In entsprechender Weise wird durch das Abschneiden auch die Anschlusseinrichtung in Form des verbleibenden Restes des Ausgangs-Halbzeuges erhalten. Der Vorteil dieses Abschneidens der Rahmenteile vom Ausgangs-Halbzeug besteht insbesondere darin, dass die Verbindungseinheit und die Anschlusseinrichtung aus gleichem Material ausgeführt sind sowie eine komplementäre Formgestaltung und gleiche Radien der Wandung im Bereich des Anschlusses der Verbindungseinheit an die Anschlusseinrichtung aufweisen, sodass eine Schweißung der beiden Bauteile unter optimalen Bedingungen erfolgen kann. Dabei können ggf. im Halbzeug bereits bestehende seitliche Anschlussflächen ebenfalls mit abgeschnitten werden, die dann zusammen mit den Hohlzylinder-Rändern einen kompletten Rahmen und demzufolge die Verbindungseinheit ausbilden. Alternativ werden zunächst die abgeschnittenen Hohlzylinder-Ränder aufgeschweißt und danach seitliche Abschlussbleche
angeschweißt, die man zusammen mit den Hohlzylinder-Rändern den Rahmen und somit die Verbindungseinheit ausbilden.
Die Schweißung des Wandelementes der Verbindungseinheit an den
Wärmetauscherblock sollte beidseitig über die gesamte Länge des Wandelementes erfolgen. Dadurch lässt sich eine optimale Dichtigkeit der Anschlusseinrichtung gewährleisten. Bei gewünschter Verminderung des Schweißaufwandes kann jedoch auch eine Seite des Wandelementes lediglich geheftet werden und auf der anderen Seite das Wandelement über die gesamte Länge mit dem Wärmetauscherblock verschweißt werden. Allerdings treten dann die gewünschten Vorteile nur im Bereich der Heftungen auf.
Zur Vermeidung wärmebedingten Verzuges sollte die Schweißung des
Wandelementes an den Wärmetauscherblock sukzessiv auf beiden Seiten des Wandelementes erfolgen. Das heißt, dass zuerst die erste Seite des Wandelementes über dessen gesamte Länge mit dem Wärmetauscherblock verschweißt wird und danach die gegenüberliegende, zweite Seite des Wandelementes mit dem
Wärmetauscherblock verschweißt wird.
Insbesondere zur Erhöhung der Festigkeit sollte die Nahtwurzel einer an einer ersten Seite des Wandelementes geschweißten ersten Naht durch Schweißung der zweiten Naht auf der gegenüberliegenden, zweiten Seite des Wandelementes aufgeschmolzen werden. Dadurch lässt sich die Ausbildung von Endkratern an der Wurzel der ersten Naht vermeiden. Die dadurch realisierte Durchschweißung des Wandelementes bewirkt eine wesentliche Festigkeitserhöhung. Die Anschlusseinrichtung ist mit der Verbindungseinheit vorzugsweise mittels
Schweißung wenigstens einer V-Naht zu verbinden. Gegebenenfalls kann zur
Schweißnahtsicherung der V-Naht eine Unterlage an der Innenseite der
Anschlusseinrichtung vorgesehen werden.
Nach vorgenommener Schweißung der Verbindungseinheit an den
Wärmetauscherblock sollte eine Schweißnahtprüfung durchgeführt werden, vorzugsweise mittels Ultraschall oder auch Röntgen. Bei Feststellung von
Schweißnahtfehlern kann in einer einfachen Nachschweißung, die ebenfalls an der Innen- und/ oder an der Außenseite der jeweiligen Wandelemente vorgenommen werden kann, eine Fehlerkorrektur erfolgen.
Zur Lösung der Aufgabe wird des Weiteren ein Wärmetauscher zur Verfügung gestellt, der insbesondere ein gelöteter Plattenwärmetauscher sein kann. Dieser
Wärmetauscher umfasst einen Wärmetauscherblock, eine Verbindungseinheit zum Anschließen einer der Zuführung bzw. Verteilung von Prozessmedien dienenden Anschlusseinrichtung an den Wärmetauscherblock, sowie die Anschlusseinrichtung. Die Verbindungseinheit ist an den Wärmetauscherblock angeschweißt und die
Anschlusseinrichtung ist an die Verbindungseinheit angeschweißt. Es ist
erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verbindungseinheit wenigstens ein
Wandelement aufweist, welches seiner Innenseite und an seiner Außenseite und somit an beiden Seiten dessen Wand an den Wärmetauscherblock angeschweißt ist.
Vorzugsweise ist dabei die Verbindungseinheit in Form eines Rahmens ausgeführt, welcher wenigstens ein Wandelement aufweist, und jedes Wandelement des Rahmens ist beidseitig mit dem Wärmetauscherblock verschweißt.
Das Wandelement bzw. die dadurch hergestellte Verbindungseinheit sowie auch die Anschlusseinrichtung bestehen vorzugsweise aus der Aluminium-Legierung 5083. Die Platten des Wärmetauschers bestehen vorzugsweise aus der Aluminium-Legierung 3003. Aufgrund dessen, dass die unterschiedliche Materialen verbindende Schweißung der Verbindungseinheit an den Wärmetauscherblock beidseitig der Wände der Wandelemente der Verbindungseinheit erfolgt, ist hier trotz
materialkombinationsbedingter Schweißbeeinträchtigungen eine festere und dichtere Schweißverbindung erzeugbar als bei lediglich einseitiger Anschweißung einer Anschlusseinrichtung an den Wärmetauscherblock. Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 : einen herkömmlichen Plattenwärmetauscher,
Fig.: 2: einen Ausschnitt aus dem Bereich der mittels einer Verbindungseinheit
realisierten Verbindung einer Anschlusseinrichtung an den
Wärmetauscherblock.
Auf die konstruktive Ausbildung eines herkömmlichen Plattenwärmetauschers wurde bereits zur Darlegung des Standes der Technik mit Bezugnahme auf Fig. 1
eingegangen. Der in Fig. 2 ersichtliche Ausschnitt des Bereichs der Verbindung der
Anschlusseinrichtung 7 an den Wärmetauscherblock 1 zeigt die Oberfläche des Wärmetauscherblocks 1 , eine im Querschnitt dargestellte Verbindungseinheit 9 sowie die ebenfalls im Querschnitt dargestellte Anschlusseinrichtung 7, an der ein Mittel 6 zur Zu- und Abführung von Medien schweißtechnisch angeschlossen ist.
Von der Verbindungseinheit 9 ist hier ein Wandelement 10 dargestellt, welches ggf. mit hier nicht extra dargestellten weiteren Wandelementen einen Rahmen ausbildet. Das Wandelement 10 ist an einer ersten Seite 1 1 , welche die Außenseite der
Verbindungseinheit 9 ausbildet, mittels einer ersten Naht 13 mit dem
Wärmetauscherblock 1 verschweißt. An der Innenseite des Wandelementes 10, welche die zweite Seite 12 darstellt, ist das Wandelement 10 mit dem
Wärmetauscherblock 1 mittels einer zweiten Naht 1 verschweißt. Die erste Naht 13 und die zweite Naht 14 sind derart ausgeführt, dass die jeweils später geschweißte Naht die Nahtwurzel der zuvor geschweißten Naht aufgeschmolzen hat, wodurch ein im Wesentlichen homogenes Gefüge zwischen Wärmetauscherblock 1 und
Wandelement 10 realisiert wird und Endkrater vermieden werden. Die Ausführung der ersten Naht 13 und/ oder der zweiten Naht 14 ist dabei nicht auf die dargestellte V- Naht eingeschränkt, sondern beide Nähte 13, 14 können jeweils auch als eine
Kombination aus V-Naht und Kehlnaht ausgeführt sein, was den Vorteil der
Verbreiterung der Wandstärke des Wandelementes 10 im Schweißnahtbereich und dadurch eine erhöhte statische Tragfestigkeit bewirkt. Es ist ersichtlich, dass durch Ausführung von Schweißungen auf beiden Seiten des Wandelementes 10 eine definierte Nahtdicke sowie auch eine optimale Prüfung der Schweißnähte möglich ist, sodass eine zielgerichtete Schweißnahtberechnung und Auslegung der Schweißverbindung sowie auch der Dicke des Wandelementes 10 möglich ist, was im Ergebnis - je nach Belastung des Wärmetauschers bzw. der daran angeordneten Anschlusseinrichtung - zu einer geringeren Wandstärke des
Wandelementes 10 und/oder zu einer längeren Lebensdauer des Wärmetauschers führen kann. Die Anschlusseinrichtung 7 ist mit der Verbindungseinheit 9 bzw. deren Wandelemente 10 mittels einer V-Naht 15 schweißtechnisch verbunden. Zur Schweißnahtsicherung der V-Naht 15 ist die dargestellte Unterlage 16 angeordnet. Vorzugsweise haben dabei das Wandelement 10 sowie die Anschlusseinrichtung 7 die gleiche Wandstärke und/oder das gleiche Material, sodass die Schweißung zwischen Wandelement 10 und Anschlusseinrichtung 7 unter schweißtechnisch optimalen Bedingungen erfolgen kann. Dies lässt sich insbesondere dadurch erreichen, dass als Halbzeug für die Herstellung der Anschlusseinrichtung 7 eine Hohlzylinder-Hälfte zur Verfügung gestellt wird und Randbereiche dieser Hohlzylinder-Hälfte abgetrennt werden, die dann die
Verbindungseinheit 9 bzw. deren Wandelemente 10 darstellen. Nach beschriebener Anschweißung der Wandelemente 10 an die Oberfläche des Wärmetauscherblocks 1 lässt sich dann in einfacher Weise der verbliebene Rest der Hohlzylinder-Hälfte in Form der Anschlusseinrichtung 7 an diese bereits schweißtechnisch fixierten
Wandelemente 10 anschweißen. Bis auf eine ggf. notwendige Kantenbearbeitung der Wandelemente 10 und/oder der Anschlusseinrichtung 7 ist hier keine weitere
Schweißnahtvorbereitung notwendig, um in einfacher und dauerfester Weise eine schweißtechnische Verbindung zwischen den Wandelementen 10 der
Verbindungseinheit 9 und der Anschlusseinrichtung 7 herzustellen. Des Weiteren ergibt sich durch die Verschweißung derart hergestellter Wandelemente 10 und der Anschlusseinrichtung 7 wieder die ursprüngliche Form einer Hohlzylinder-Hälfte und demzufolge eine optimale, dem Kraftfluss in der Anschlusseinrichtung 7 angepasste schweißtechnische Verbindung. Bezugszeichenliste
1 Wärmetauscherblock
2 Verteilerfin
3 Passage
4 Trennblech
5 Deckblech
6 Mittel zur Zu- und Abführung
7 Anschlusseinrichtung
8 Randleiste
A, B, C, D, E Prozessstrom
9 Verbindungseinheit
10 Wandelement
11 Erste Seite, Außenseite
12 Zweite Seite, Innenseite
13 Erste Naht
14 Zweite Naht
15 V-Naht
16 Unterlage

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines
gelöteten Plattenwärmetauschers, bei dem ein Wärmetauscherblock (1) und eine wenigstens ein Wandelement (10) umfassende Verbindungseinheit (9) zum Anschließen einer zur Zu- oder Abführung bzw. Verteilung von
Prozessmedien vorgesehenen Anschlusseinrichtung (7) an den
Wärmetauscherblock (1) bereit gestellt wird, und die Verbindungseinheit (9) an den Wärmetauscherblock (1) angeschweißt wird, wobei wenigstens ein Wandelement (10) der Verbindungseinheit (9) an seiner Innenseite (12) und an seiner Außenseite (1 1) an den Wärmetauscherblock (1) angeschweißt wird, und des Weiteren die Anschlusseinrichtung (7) bereit gestellt wird und diese Anschlusseinrichtung (7) an die Verbindungseinheit (9) angeschweißt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinheit (9) in Form eines Rahmens ausgeführt ist, welcher wenigstens ein Wandelement (10) aufweist, und jedes Wandelement (10) des Rahmens beidseitig mit dem Wärmetauscherblock (1) verschweißt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißung des Wandelementes (10) an den Wärmetauscherblock (1) beidseitig über die gesamte Länge des Wandelementes (10) erfolgt.
4. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißung des Wandelementes (10) an den Wärmetauscherblock (1 ) durch sukzessiv erfolgende Schweißung der beiden Seiten des Wandelementes (10) erfolgt.
5. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahtwurzel einer an einer ersten Seite (12) des Wandelementes (10) geschweißten ersten Naht (13) bei Schweißung der zweiten Naht (14) auf der gegenüberliegenden, zweiten Seite (14) des Wandelementes (10) aufgeschmolzen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Anschlusseinrichtung (7) mit der Verbindungseinheit (9) mittels Schweißung wenigstens einer V-Naht (15) verbunden wird.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach beidseitiger Schweißung der Verbindungseinheit (9) an den Wärmetauscherblock (1) eine Schweißnahtprüfung durchgeführt wird.
Wärmetauscher, insbesondere gelöteter Plattenwärmetauscher, umfassend einen Wärmetauscherblock (1), eine Verbindungseinheit (9) zum Anschließen einer Anschlusseinrichtung (7) an den Wärmetauscherblock (1 ) und eine zur Zu- oder Abführung bzw. Verteilung von Prozessmedien ausgestaltete Anschlusseinrichtung (7), wobei die Verbindungseinheit (9) an den
Wärmetauscherblock (1 ) angeschweißt ist und die Anschlusseinrichtung (7) an die Verbindungseinheit (9) angeschweißt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinheit (9) wenigstens ein Wandelement (10) aufweist, welches an seiner Innenseite (12) und an seiner Außenseite (1 1) an den Wärmetauscherblock (1) angeschweißt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Verbindungseinheit (9) in Form eines Rahmens ausgeführt ist, welcher wenigstens ein Wandelement (10) aufweist, und jedes Wandelement (10) des Rahmens beidseitig mit dem Wärmetauscherblock (1) verschweißt ist.
10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandelement (10) sowie die Anschlusseinrichtung (7) aus der Aluminiumlegierung 5083 bestehen.
PCT/EP2015/002226 2014-11-07 2015-11-05 Verfahren zur herstellung eines wärmetauschers sowie mittels des verfahrens hergestellter wärmetauscher WO2016070998A1 (de)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020249260A1 (de) 2019-06-12 2020-12-17 Linde Gmbh Plattenwärmetauscher, verfahrenstechnische anlage und verfahren

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