WO2016138987A1 - Verfahren zur herstellung eines plattenwärmeübertragers - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines plattenwärmeübertragers Download PDF

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WO2016138987A1
WO2016138987A1 PCT/EP2016/000354 EP2016000354W WO2016138987A1 WO 2016138987 A1 WO2016138987 A1 WO 2016138987A1 EP 2016000354 W EP2016000354 W EP 2016000354W WO 2016138987 A1 WO2016138987 A1 WO 2016138987A1
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collector
heat exchanger
plate heat
aluminum alloy
exchanger block
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PCT/EP2016/000354
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Georg Wimmer
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Linde Aktiengesellschaft
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    • F28D9/0068—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements with means for changing flow direction of one heat exchange medium, e.g. using deflecting zones
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F2275/04—Fastening; Joining by brazing
    • F28F2275/045—Fastening; Joining by brazing with particular processing steps, e.g. by allowing displacement of parts during brazing or by using a reservoir for storing brazing material

Definitions

  • the invention relates to a method for connecting a collector (also referred to as header) with a plate heat exchanger block and a
  • Plate heat exchangers are known from the prior art, which are adapted to transfer the heat from a first fluid indirectly to another, second fluid.
  • the fluids in the plate heat exchanger are guided in separate heat exchange passages of the plate heat exchanger block. These are delimited by two parallel partitions of the plate heat exchanger block, between each of which a heating surface element is arranged, which is also referred to as a fin or lamella.
  • Such plate heat exchangers are e.g. in ALPEMA, Third Edition, 2010 shown and described (see Figure 1) .
  • This plate heat exchanger has a plate heat exchanger block, the plurality of mutually parallel partitions in the form of separating plates which has a variety of
  • Heat exchange passages for the fluids to be brought together in indirect heat transfer The heat exchange between the participating in the heat exchange fluids takes place between adjacent
  • Heat exchange passages instead, wherein the heat exchange passages and thus the fluids are separated by the partitions.
  • the heat exchange takes place by means of heat transfer via the partition walls as well as between the
  • Partitions arranged heating surface elements which are also referred to as fins.
  • the heat exchange passages are completed by flush mounted on the edge of the dividers sidebars in the form of metal strips, which are also referred to as sidebars, to the outside.
  • the Platten Zaschreiberblock is further limited by two outermost cover walls in the form of cover plates to the outside. The two cover walls are each characterized by an outermost
  • Dividing wall of the plate heat exchanger formed.
  • Inlet and outlet openings of the heat exchange passages which serve for the connection of incoming and outgoing pipelines.
  • Such plate heat exchangers are preferably formed of aluminum, wherein the components are joined together by brazing.
  • the soldered Schuroisieri, dividers, cover plates and sidebars are stacked on each other and then in an oven to a heat exchanger block
  • the collectors are then welded with nozzles.
  • Petroleum derivatives may occur in magnesium-containing aluminum materials or alloys in the presence of impurities (such as mercury) LME (for liquid metal embrittlement).
  • impurities such as mercury
  • LME for liquid metal embrittlement
  • the effect of liquid-metal embrittlement occurs especially in the case of contact between a liquid metal and a structural material or metal, e.g. when joining metals by soldering or welding.
  • the object of the present invention is to provide a method for connecting a collector to a plate heat exchanger block, which reduces the risk of liquid-metal embrittlement. This object is achieved by a method having the features of claim 1.
  • the method according to the invention comprises the steps:
  • Plate heat exchanger block including collector.
  • Precipitation hardening is a heat treatment of an aluminum alloy to increase the hardness and strength of the alloy.
  • secondary phases are deposited in the material, which form in particular as a function of the temperature and whose solubility decreases in particular with falling temperature, these phases being an effective obstacle to
  • a precipitation-hardenable aluminum alloy is therefore to be understood in the sense of the present invention as an aluminum alloy, which in such a
  • Curable aluminum alloys are e.g. AICu, AICuMG, AlZnMgCu, AlZnMg and AlMgSi.
  • the designation 6XXX is a type designation for aluminum alloys according to ASME See. II, Part B, SB209, SB221, SB234, SB241. In the following, aluminum alloys are given according to this standard. In the designation 6XXX, XXX is a wildcard for all possible alloys of this type, e.g. 6061 (this applies analogously to the 3XXX type, see below).
  • T4 indicates a state of the aluminum alloy in which it is provided according to the ASTM B918 / B918M standard namely that the material or aluminum alloy is solution heat treated and cold aged (according to ASTM B918 / B918M solution heat treatment is carried out at a temperature in the range of 516 ° C to 579 ° C, with the quenching temperature is a maximum of 43 ° C).
  • the invention is based on the following findings.
  • the 6XXX aluminum alloys contain Mg and Si as main alloying ingredients, namely Mg in the range of 0.2% to 1.4% by weight and Si in the range of 0.2% to 1.8% by weight. %. Such aluminum alloys therefore initially appear to be suitable as a base material for collectors and nozzles in a plate heat exchanger, in particular for avoiding LME.
  • T6 designates an alloy which is solution heat treated and aged (according to ASTM B918 / B918M)
  • Solution heat treatment and heat aging, if necessary, further treatments and / or special control of the process e.g., relaxing by controlled stretching.
  • Curing process consisting of solution heat treatment, quenching in water and
  • Heat aging can be increased again to the T6 state.
  • this process is disadvantageous due to the resulting stresses on the plate heat exchanger block.
  • the present invention starts and proposes to use as a collector and neck material a type 6XXX aluminum alloy in the initial state T4 (eg 6061 T4).
  • a higher strength can be achieved with advantage over the use of the initial state T6 / T6XX after welding and hot aging.
  • the strength of the aluminum alloy 6061 is 207 MPa versus 290 MPa in the T6 state, but the 6061 T4 starting material is higher after welding and aging Strength than the 6XXX T6 or 6XXX T6XX material after welding.
  • a further advantage of using a 6061 T4 aluminum alloy is that it can be much easier rolled in the material state T4 than the T65 / T6XX variant, which has a comparatively higher material strength in the T6 / T6XX material state.
  • the aging process supports the formation of an oxide layer on the collector or plate heat exchanger block, which also counteracts LME. It has also been shown that the thermal aging of the entire
  • Heat exchanger block including the welded collector (and possibly a welded nozzle, see below) at a temperature of 155 ° C to 190 ° C and a period of 4 to 18 hours is particularly effective in view of the above effects.
  • a neck is welded to the header before hot aging, so that the nozzle is in flow communication with the collector and correspondingly a fluid via the nozzle in the collector or can be deducted from this.
  • the plate heat exchanger block together with the collector and the Warm-stored the collector welded-on nozzle it is possible to first weld the nozzle to the collector, after which the collector together with the nozzle is welded to the plate heat exchanger block. Alternatively, initially only the collector with the
  • Plate heat exchanger block are welded and then the nozzle with the collector.
  • the nozzle is made of an aluminum alloy of the type 6XXX and is located before welding to the collector in the state T4.
  • the collector and / or the nozzle made of an aluminum alloy of type 6061, wherein the collector and possibly the nozzle - as already stated - are before welding in the state T4.
  • Such an aluminum alloy 6061 T4 preferably has the following proportions:
  • Plate heat exchanger block to which the collector is welded, made of aluminum alloy type 3XXX.
  • Such an aluminum alloy of the type 3003 preferably has the following proportions: 0% by weight to 0.6% by weight of Si; 0 wt.% To 0.7 wt.% Fe; From 0.05% to 0.2% by weight of Cu; 1, 0 wt .-% to 1, 5 wt .-% Mn; 0% by weight to 0.1% Zn; Furthermore, further components may be present which account for up to 0.05% by weight individually and not in total 0.15% by weight
  • Such type 3004 aluminum alloy preferably has the following proportions: 0 wt.% To 0.3 wt.% Si; 0 wt.% To 0.7 wt.% Fe; 0 wt% to 0.25 wt% Cu; 1, 0 wt .-% to 1, 5 wt .-% Mn; 0.8% by weight to 1.3% by weight of Mg, 0 wt% to 0.25 Zn; Furthermore, further components may be present which account for up to 0.05% by weight individually and not in total 0.15% by weight
  • the remaining portion of the 3004 alloy is aluminum. Furthermore, instead of 3003 or 3004, a type 3005 or 3105 aluminum alloy may also be used.
  • Such type 3005 aluminum alloy preferably has the following proportions: 0 wt% to 0.6 wt% Si; 0 wt.% To 0.7 wt.% Fe; 0% to 0.3% by weight of Cu; 1, 0 wt .-% to 1, 5 wt .-% Mn; 0.2% by weight to 0.6% by weight of Mg,
  • an aluminum alloy of the 3105 type preferably has the following proportions: 0% by weight to 0.6% by weight of Si; 0 wt.% To 0.7 wt.% Fe; 0% to 0.3% by weight of Cu; From 0.3% to 0.8% by weight of Mn; 0.2 wt.% To 0.8 wt.% Mg, 0 wt.% To 0.20 Cr; 0 wt% to 0.40 Zn; 0 wt .-% to 0.10 Ti. Further components may be present, which make up individually up to 0.05 wt .-% and not exceed 0.15 wt .-% in total. The remainder of the 3105 alloy is aluminum.
  • the collector is preferably designed as a half cylinder and closed at its two opposite end faces.
  • Plate heat exchanger block or said material area is welded.
  • the partitions and fins preferably run perpendicular to a longitudinal axis of the collector when it is intended to be welded to the plate heat exchanger block. In this way, exit or inlet openings of the respective heat exchange passage, which is bounded in each case by two adjacent partitions and has a fin arranged between the two partitions, open into the collector.
  • the nozzle associated with the collector is preferably cylindrical and is connected via an end face of the nozzle with the Collector, welded, so that the spigot with a through hole of the
  • Collector and the collector is in flow communication.
  • the plate heat exchanger preferably has per fluid, which in the
  • Plate heat exchanger is performed two collectors with nozzle, wherein the fluid is introduced via the one neck and collector in the associated heat exchange passages and on the other collector or nozzle is again routable.
  • collectors and associated connecting pieces are preferred according to the above with reference to a collector (and the associated nozzle).
  • the plate heat exchanger has first heat exchange passages for a first fluid, each bounded by two adjacent partitions and each in flow communication with two collectors for introducing or withdrawing the first fluid, which are welded to the plate heat exchanger block by the method of the invention. Furthermore, the first heat exchange passages for a first fluid, each bounded by two adjacent partitions and each in flow communication with two collectors for introducing or withdrawing the first fluid, which are welded to the plate heat exchanger block by the method of the invention. Furthermore, the
  • Plate heat exchangers preferably second heat exchange passages for a second fluid, each bounded by two adjacent partitions and each in flow communication with two other collectors for introducing or removing the second fluid, which are welded to the plate heat exchanger block according to the inventive method.
  • a nozzle according to the inventive method is welded.
  • the first and second heat exchange passages are preferably arranged alternately side by side so that the two fluids can flow through adjacent heat exchange passages and indirectly exchange heat with each other.
  • Heat exchange passages that is, between each two adjacent partitions, preferably a fin is arranged, which in particular has a corrugated structure, so that each heat exchange passage forms a plurality of parallel channels between the two respectively associated partitions, through which the respective fluid can flow.
  • the partitions and / or the fins are preferably made of one
  • a welding filler is used for the welded joint between the collector and the plate heat exchanger block or between the nozzle and the collector, which can be increased in its strength by a heat aging process.
  • the welding filler has an Mg content of from 0.1% by weight to 1.2%.
  • the welding filler is a material that is added during welding and is fused with the material of the collector and the plate heat exchanger or the collector and the nozzle.
  • the welding filler ER4643 consists of a type 4643 aluminum alloy which has the following proportions: 3.6% by weight to 4.6% by weight of Si; 0 wt.% To 0.8 wt.% Fe; 0% to 0.1% by weight of Cu; 0% to 0.05% by weight of Mn; 0.1 wt.% To 0.3 wt.% Mg; 0 wt% to 0.10 Zn; 0 wt% to 0.15 wt% Ti; 0 wt% to 0.0003 wt% Be; Furthermore, further components may be present which account for up to 0.05% by weight individually and not in total 0.15% by weight
  • the remainder of the filler ER4643 is aluminum.
  • the welding filler ER4943 consists of a type 4943 aluminum alloy which has the following proportions: 5.0% by weight to 6.0% by weight of Si; 0 wt.% To 0.4 wt.% Fe; 0% to 0.1% by weight of Cu; 0% to 0.05% by weight of Mn; 0.1 wt.% To 0.5 wt.% Mg; 0 wt% to 0.10 Zn; 0 wt% to 0.15 wt% Ti; 0 wt% to 0.0003 wt% Be; Furthermore, further components may be present which account for up to 0.05% by weight individually and not in total 0.15% by weight
  • the remaining part of the filler ER4943 is aluminum.
  • Welding additive with a Mg content above 3 wt .-% (e.g., ER5183, ER5356 or ER5556) is significantly increased. Furthermore, this is also the strong
  • a support element which is also referred to as a welding pad, is fixed to the collector, in particular to an inside of the collector facing the plate heat exchanger block in the welded state, and the collector via the
  • Support member is supported on the plate heat exchanger, so that a predefined gap between an edge of the collector and an edge opposite material region of the plate heat exchanger block is formed, preferably for welding the collector to the material region of the
  • the edge of the collector is welded to the material region by forming a weld connecting the edge to the material region.
  • the welding filler described above is preferably added. Due to the support element or the welding pad prevents liquid weld metal flows into the interior of the collector. Rather, the welding pad forms a barrier to the weld metal and thus limits the weld to the interior of the collector.
  • suitable welding methods can be used, in particular tungsten inert gas welding (TIG) or MIG (metal welding with inert gases according to EN ISO 4063).
  • TIG tungsten inert gas welding
  • MIG metal welding with inert gases according to EN ISO 4063.
  • a protective gas is used during welding, which has a volume percentage of at least 50% helium, in particular (exactly) 50% helium, whereby a preheating of the components to be welded is no longer necessary.
  • a protective gas a gas mixture of helium and argon and optionally doping of nitrogen, oxygen and nitric oxide NO is used.
  • the dopants are preferably in the single-digit or two-digit ppm (parts per million) range.
  • a plate heat exchanger comprising: a plate heat exchanger block, the plurality of
  • Heat exchange passages for receiving a fluid a connected to the plate heat exchanger collector, with the
  • Heat exchange passages is in flow communication, so that the fluid via the collector in the heat exchange passages can be introduced or withdrawn, the collector being made of an aluminum alloy of the 6XXX type, and in particular with a nozzle connected to the collector and in fluid communication with the collector so that the fluid can be introduced into or removed from the collector via the nozzle, in particular the collector consists of an aluminum alloy of the type 6XXX, which is provided according to the invention that the collector, and preferably also the nozzle, by means of a
  • inventive method is connected to the plate heat exchanger block.
  • Fig. 1 shows a detail of a phase diagram of the alloy Al-Mg
  • Fig. 2 is a perspective view of a plate heat exchanger, in which the collector and the nozzle with the inventive
  • Fig. 3 is a schematic sectional view of a welding pad, which can be used in the inventive method.
  • Fig. 1 shows a phase diagram of the system Al-Mg to illustrate the above-mentioned relationship between the Mg content of the collector material and the risk of liquid-metal embrittlement (LME).
  • Fig. 2 shows a plate heat exchanger 10 according to the invention, which comprises a plurality of mutually parallel partitions in the form of partitions 4, which form a plurality of heat exchange passages 1 for the transferable to each other in indirect heat transfer fluids A, B, C, D.
  • the partitions consist in particular of an aluminum alloy of the type 3003.
  • Heat exchange passages 1 and thus the fluids through the baffles 4 are separated.
  • the heat exchange takes place by means of heat transfer via the separating plates 4 as well as via the heating surface elements (fins) 3 arranged between the separating plates 4, which in particular likewise consist of a
  • the heat exchange passages 1 are by flush mounted on the edge of the partitions 4 sidebars in the form of metal strips 8, hereinafter also referred to as sidebars 8, to the outside
  • the sidebars 8 consist of one
  • the corrugated (in cross-section meandering) fins 3 are arranged, wherein a cross section of a Schundiatas 3 in the detail of Figure 2 is shown. Thereafter, the fins 3 each have a wave-like structure with alternating wave troughs 12 and wave crests 14, wherein each a trough 12 with an adjacent wave crest 14 via a flank 13 of the respective
  • Heating surface element 3 is connected, so that the wave-shaped structure results.
  • the wavy structure need not be rounded, but may also have a rectangular or stepped shape. Due to the wave-shaped structure, channels for guiding the fluid in the respective heat exchange passage 1 are formed together with the two-sided partitions 4. The wave crests 14 and wave troughs 12 of the wave-shaped structure of the respective fin 3 are connected to the respective adjacent separating plates 4. The am
  • Heat exchange participating fluids are thus in direct thermal contact with the wave-shaped structures, so that the heat transfer is ensured by the thermal contact between the wave crests 14 and troughs 12 and dividers 4.
  • the orientation of the undulating structure is selected as a function of the application so that a DC, cross, counter or cross-counterflow between adjacent
  • the plate heat exchanger also has openings 9 to the
  • the individual heat exchange passages 1 can have distributor fins 2 which distribute the respective fluid to the channels of a fins 3 of the relevant heat exchange passage 1.
  • a fluid A, B, C, D, E can thus be introduced via an opening 9 of the plate heat exchanger block 11 in the associated heat exchange passage 1 and withdrawn through a further opening 9 from the relevant heat exchange passage 1 again.
  • baffles 4, fins 3 and sidebars 8, and optionally other components are brazed together.
  • other components e.g., distributor fins 2
  • Cover plates 5 and 8 Sidebars stacked on each other and then brazed in an oven to a heat exchanger block 11.
  • semi-cylindrical collectors 7 (or headers) are welded over the openings 9, the collectors 7 preferably consisting of an aluminum alloy of the type 6XXX, in particular 6061, and themselves are in the initial state T4. After welding the collectors 7, the entire block 11 is stored in a warm condition, for example at a temperature in the range of 155 ° C to 190 ° C and over a period in the range of 4 hours to 18 hours.
  • each collector 7 is preferably a cylindrical connection 6
  • the connecting pieces 6 are also used to connect an incoming or outgoing pipeline to the respective collector 7.
  • the respective connecting piece 6 likewise preferably consists of an aluminum alloy of the type 6XXX, in particular 6061, and is furthermore located in front of the associated collector 7 in FIG Initial state T4.
  • the entire block 11, together with the collectors 7 welded thereto and the sockets 6 welded to the collectors 7, is stored, preferably at a temperature in the range of 155 ° C. to 190 ° C. and over a period in the range of 4 hours to 18 hours , It is also possible, first the nozzle 6 to the collector 7 and then the collector 7 (including nozzle 6) to the plate heat exchanger block 1 1 to weld.
  • FIG. 3 A preferred variant of carrying out a welded joint or weld between the collector 7 and the plate heat exchanger block is shown in FIG. 3.
  • a support member 20, also referred to as a welding pad is fixed to an inner side 7a of a collector 7, e.g. over a
  • Openings 9 arranged, wherein it is supported on the support member 20 (or possibly on a plurality of support members 20), so that a defined gap between the plate heat exchanger block 11 and a peripheral edge 7b of the
  • semi-cylindrical collector 7 is formed, wherein for welding the collector 7 to the material portion 11a of the plate heat exchanger block 1, the edge 7b of the collector 7 with the material portion 1 1a by forming a the edge 7b with the material portion 11a connecting weld 21 is welded, wherein the at least one welding pad 20 simultaneously forms a barrier to the weld 21, which prevents weld metal to serve the construction of the weld 21 flows into the interior I of the collector 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Plattenwärmeübertragerblocks (11), der eine Mehrzahl an Wärmeaustauschpassagen (1) zur Aufnahme eines Fluides (A, D, C, D, E) aufweist mit einem Sammler (7), über den das Fluid in die Wärmeaustauschpassagen (1) einleitbar oder aus diesen abziehbar ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen des Plattenwärmeübertragerblocks (11), Bereitstellen des Sammlers (7), wobei der Sammler (7) aus einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung (insbesondere vom Typ 6XXX) besteht und sich vorzugsweise im Zustand T4 befindet, Anschweißen des Sammlers (7) an den Plattenwärmeübertragerblock (11), so dass der Sammler (7) in Strömungsverbindung mit den Wärmeaustauschpassagen (1) steht, und Warmauslagern des Plattenwärmeübertragerblocks (11) samt Sammler (7). Weiterhin betrifft die Erfindung einen mittels des Verfahrens hergestellten Plattenwärmeübertrager (10).

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Plattenwärmeübertraqers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Sammlers (auch als Header bezeichnet) mit einem Plattenwärmeübertragerblock sowie einen
Plattenwärmeübertrager.
Aus dem Stand der Technik sind Plattenwärmeübertrager bekannt, welche dazu eingerichtet sind, die Wärme von einem ersten Fluid indirekt auf ein anderes, zweites Fluid zu übertragen. Dabei werden die Fluide im Plattenwärmeübertrager in separaten Wärmeaustauschpassagen des Plattenwärmeübertragerblocks geführt. Diese werden durch je zwei parallele Trennwände des Plattenwärmeübertragerblocks begrenzt, zwischen denen jeweils ein Heizflächenelement angeordnet ist, das auch als Fin oder Lamelle bezeichnet wird. Derartige Plattenwärmeübertrager sind z.B. in„The Standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturers association" ALPEMA, Third Edition, 2010 gezeigt und beschrieben (vgl. Figur 1). Ein solcher Plattenwärmeübertrager weist einen Plattenwärmeübertragerblock auf, der mehrere parallel zueinander angeordnete Trennwände in Form von Trennblechen aufweist, die eine Vielzahl von
Wärmeaustauschpassagen für die miteinander in indirekte Wärmeübertragung zu bringenden Fluide bilden. Der Wärmeaustausch zwischen den am Wärmeaustausch teilnehmenden Fluiden findet dabei zwischen benachbarten
Wärmeaustauschpassagen statt, wobei die Wärmeaustauschpassagen und somit die Fluide durch die Trennwände voneinander getrennt sind. Der Wärmeaustausch erfolgt mittels Wärmeübertragung über die Trennwände sowie die zwischen den
Trennwänden angeordneten Heizflächenelemente, die auch als Fins bezeichnet werden. Die Wärmeaustauschpassagen sind durch bündig am Rand der Trennbleche angebrachte Seitenleisten in Form von Blechstreifen, die auch als Sidebars bezeichnet werden, nach außen hin abgeschlossen. Der Plattenwärmeübertragerblock ist des Weiteren durch zwei äußerste Deckwände in Form von Deckblechen nach außen begrenzt. Die beiden Deckwände werden dabei jeweils durch eine äußerste
Trennwand des Plattenwärmeübertragers gebildet. Zur Zu- und Abführung der wärmeaustauschenden Fluide sind über Eintritts- und Austrittsöffnungen der Wärmeaustauschpassagen Sammler mit Stutzen angebracht, die zum Anschluss von zu- und abführenden Rohrleitungen dienen. Derartige Plattenwärmetauscher sind vorzugsweise aus Aluminium gebildet, wobei die Bauteile durch Hartlöten miteinander verbunden werden. Die mit Lot versehenen Heizflächenelemente, Trennbleche, Deckbleche und Sidebars werden aufeinander gestapelt und anschließend in einem Ofen zu einem Wärmeübertragerblock
hartgelötet. Auf den Wärmeübertragerblock werden anschließend die Sammler mit Stutzen aufgeschweißt.
Bei Plattenwärmeübertragern aus Aluminium, insbesondere für den Einsatz bei der Verarbeitung von Ethylen, Erdgas, Kondensat aus Erdgasquellen, Rohöl und
Erdölderivaten, kann bei magnesiumhaltigen Aluminium-Werkstoffen bzw. - Legierungen in Anwesenheit von Verunreinigungen (z.B. an Quecksilber) LME (für Liquid Metal Embrittlement, zu Deutsch: Flüssig-Metall-Versprödung) auftreten. Der Effekt der Flüssig-Metall-Versprödung tritt insbesondere im Fall des Kontakts zwischen einem flüssigen Metall und einem strukturellen Material bzw. Metall auf, wie z.B. beim Verbinden von Metallen durch Löten oder Schweißen.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden eines Sammlers mit einem Plattenwärmeübertragerblock bereitzustellen, das das Risiko einer Flüssig-Metall-Versprödung reduziert. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach weist das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte auf:
Bereitstellen eines Plattenwärmeübertragerblocks sowie Bereitstellen eines Sammlers, wobei der Sammler zumindest teilweise oder vollständig aus einer
ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung besteht, insbesondere vom Typ 6XXX, die sich insbesondere im Zustand T4 befindet, Anschweißen des Sammlers an den Plattenwärmeübertragerblock, so dass der Sammler in Strömungsverbindung mit den Wärmeaustauschpassagen steht, und Warmauslagern des
Plattenwärmeübertragerblocks samt Sammler. Bei einer Ausscheidungshärtung handelt es sich um eine Wärmebehandlung einer Aluminiumlegierung zum Erhöhen der Härte und Festigkeit der Legierung. Hierbei werden sekundäre Phasen im Werkstoff abgeschieden, die sich insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur bilden und deren Löslichkeit insbesondere mit fallender Temperatur sinkt, wobei diese Phasen ein wirksames Hindernis für
Versetzungsbewegungen darstellen.
Eine ausscheidungshärtbare Aluminiumlegierung ist daher im Sinne der vorliegenden Erfindung als eine Aluminiumlegierung zu verstehen, die bei einer derartigen
Wärmebehandlung eine Erhöhung ihrer Härte und/oder Festigkeit erfährt, die insbesondere auf die Abscheidung der oben genannten Phasen zurückzuführen ist. Aushärtbare Aluminiumlegierungen sind z.B. AICu, AICuMG, AlZnMgCu, AlZnMg und AlMgSi. Die Bezeichnung 6XXX ist hierbei eine Typenbezeichnung für Aluminiumlegierungen gemäß ASME See. II, Part B, SB209, SB221 , SB234, SB241. Im folgenden werden Aluminiumlegierungen nach dieser Norm angegeben. Bei der Bezeichnung 6XXX steht XXX als Platzhalter für alle möglichen Legierungen dieses Typs, z.B. 6061 (dies gilt analog für den Typ 3XXX, siehe unten).
T4 bezeichnet dabei einen Zustand der Aluminiumlegierung, in dem diese bereitgestellt wird, nach der Norm ASTM B918/B918M und zwar, dass der Werkstoff bzw. die Aluminiumlegierung lösungsgeglüht und kaltausgelagert ist (nach ASTM B918/B918M wird das Lösungsglühen bei einer Temperatur im Bereich von 516°C bis 579°C durchgeführt, wobei die Abschrecktemperatur bei maximal 43°C liegt).
In Bezug auf das LME liegen der Erfindung die folgenden Erkenntnisse zugrunde. Je höher der Gehalt an Magnesium (Mg) im Werkstoff (Grundwerkstoff bzw.
Schweißzusatz) ist, desto größer ist wegen der Bildung von zusammenhängenden Ausscheidungen an ß-Phase (AI2Mg3) an den Korngrenzen die Gefahr von LME. Bei einem Mg-Gehalt unterhalb von 1 ,2 Gew.-% besteht praktisch keine Gefahr mehr von LME, wie aus dem Phasendiagramm von Al-Mg ersichtlich ist (vgl. Fig. 1 ). Bei
Verwendung einer AlMgSi- bzw. AlMgSiCu- oder AlMgSiMn-Legierung mit einem Mg- Gehalt kleiner oder gleich 1 ,2 Gew.-% und einem Si-Gehalt von 0,2 bis 1 ,7 Gew.-% kann LME vermieden werden (siehe Phasendiagramm Al-Mg gemäß Fig. 1). Je größer weiterhin die Dicke der durch das flüssige Medium berührten Aluminium-Oxidschicht ist, desto sicherer kann LME vermieden werden.
Die Aluminiumlegierungen 6XXX enthalten Mg und Si als Hauptlegierungsbestandteile, und zwar Mg im Bereich von 0,2 Gew.-% bis 1 ,4 Gew.-% und Si im Bereich von 0,2 Gew.-% bis 1 ,8 Gew.-%. Derartige Aluminiumlegierungen scheinen daher zunächst als Grundwerkstoff für Sammler und Stutzen bei einem Plattenwärmeübertrager geeignet zu sein, insbesondere zur Vermeidung von LME.
Problematisch bei der Verwendung einer Aluminiumlegierung vom Typ 6XXX (z.B. 6061) für Sammler (Header) und Stutzen bei Aluminium-Plattenwärmeübertragern ist jedoch der Umstand, dass diese unter Umständen einen starken Festigkeitsabfall in der Wärmeeinflusszone durch die Wärmebeeinflussung beim Schweißen zeigen. So zeigen z.B. die üblicherweise verwendeten 6061 T6/T6XX-Bleche einen
Festigkeitsabfall durch die Wärmebeeinflussung von 290 MPa auf 166 MPa, was eine Wanddickenerhöhung von 43% zur Kompensation des Festigkeitsabfalls erfordert. Der Zustand T6 (bzw. T6XX) bezeichnet hierbei eine Legierung, die lösungsgeglüht und warmausgelagert wird (nach ASTM B918/B918M), wobei zusätzlich zum
Lösungsglühen und Warmauslagern ggf. weitere Behandlungen und/oder eine spezielle Kontrolle des Verfahrens vorgenommen werden (z.B. Entspannen durch kontrolliertes Recken).
Die Festigkeit in der Wärmeeinflusszone bei der Verwendung von 6XXX T6- bzw.
6XXX T6XX-Aluminiumblechen kann theoretisch durch einen vollständigen
Aushärtevorgang, bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken in Wasser und
Wärmeauslagern wieder auf den T6-Zustand gesteigert werden. Dieser Vorgang ist jedoch aufgrund der entstehenden Spannungen am Plattenwärmeübertragerblock nachteilig.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an und schlägt vor, stattdessen als Sammler- und Stutzen-Material eine Aluminiumlegierung vom Typ 6XXX im Ausgangszustand T4 zu verwenden (z.B. 6061 T4). Durch den Ausgangszustand T4 kann mit Vorteil gegenüber Verwendung des Ausgangszustandes T6/T6XX nach Schweißen und Warmauslagern eine höhere Festigkeit erzielt werden. Im Zustand T4 beträgt z.B. die Festigkeit der Aluminiumlegierung 6061 207MPa gegenüber 290 MPa im Zustand T6, wobei jedoch das 6061 T4-Ausgangsmaterial nach dem Schweißen und Warmauslagern eine höhere Festigkeit aufweist als das 6XXX T6- bzw. 6XXX T6XX-Material nach dem Schweißen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer 6061 T4 Aluminiumlegierung besteht darin, dass diese im Werkstoffzustand T4 wesentlich leichter eingewalzt werden kann als die T65/T6XX-Variante, die in dem T6/T6XX-Werkstoffzustand eine vergleichsweise höhere Werkstofffestigkeit aufweist.
Es hat sich ferner gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Warmauslagerung nach dem Fügen des Sammlers (und ggf. des Stutzens, siehe unten) eine
Festigkeitserhöhung in der Wärmeeinflusszone sowie im Schweißgut, d.h., in den Schweißnähten, erzeugt wird. Weiterhin wird in vorteilhafter Weise durch die
Warmauslagerung ein Abbau von Spannungsspitzen im Sammler, im
Plattenwärmeübertragerblock sowie in der Schweißverbindung zwischen diesen Komponenten erreicht, wodurch insbesondere eine lokale Zerstörung der
Passivschicht bzw. Oxidschicht unterdrückt wird, was entsprechend das Risiko von LME herabsetzt.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Warmauslagerung eventuell an Korngrenzen vorhandene ß-Segregate (AI2 g3) aufgelöst werden, was ebenfalls LME entgegenwirkt.
Schließlich wird durch das Warmauslagern die Bildung einer Oxidschicht auf dem Sammler bzw. dem Plattenwärmeübertragerblock unterstützt, die ebenfalls LME entgegenwirkt. Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die Warmauslagerung des gesamten
Wärmeübertragerblocks inklusive des aufgeschweißten Sammlers (sowie ggf. eines angeschweißten Stutzens, siehe unten) bei einer Temperatur von 155°C bis 190°C und einer Zeitdauer von 4 bis 18 Stunden besonders effektiv im Hinblick auf die oben dargelegten Wirkungen ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass vor dem Warmauslagern ein Stutzen an den Sammler angeschweißt wird, so dass der Stutzen in Strömungsverbindung mit dem Sammler steht und entsprechend ein Fluid über den Stutzen in den Sammler einleitbar oder aus diesem abziehbar ist. Bevorzugt wird dann der Plattenwärmeübertragerblock zusammen mit dem Sammler und dem an den Sammler angeschweißten Stutzen warmausgelagert. Grundsätzlich ist es möglich, zuerst den Stutzen an den Sammler anzuschweißen, wobei hiernach der Sammler samt Stutzen an den Plattenwärmeübertragerblock angeschweißt wird. Alternativ hierzu kann auch zunächst lediglich der Sammler mit dem
Plattenwärmeübertragerblock verschweißt werden und sodann der Stutzen mit dem Sammler.
Bevorzugt besteht auch der Stutzen aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 6XXX und befindet sich vor dem Anschweißen an den Sammler im Zustand T4.
Bevorzugt besteht der Sammler und/oder der Stutzen aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 6061 , wobei sich der Sammler und ggf. der Stutzen - wie bereits dargelegt - vor dem Anschweißen im Zustand T4 befinden. Eine solche Aluminiumlegierung 6061 T4 weist bevorzugt die folgenden Anteile auf:
0,4 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Si; 0 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% Fe; 0,15 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Cu; 0 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Mn; 0,8 Gew.-% bis 1 ,2 Gew.-% Mg, 0,04 Gew.-% bis 0,35 Gew.-% Cr; 0 Gew.-% bis 0,25 Zn; 0 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Ti; weiterhin können weitere Komponenten vorhanden sein, die einzeln bis zu 0,05 Gew.- % ausmachen und insgesamt 0,15 Gew.-% nicht überschreiten. Der restliche Anteil der 6061 T4-Legierung ist Aluminium.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht zumindest ein
Materialbereich des Plattenwärmeübertragerblocks oder der gesamte
Plattenwärmeübertragerblock, an den der Sammler angeschweißt wird, aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 3XXX. Eine solche Aluminiumlegierung vom Typ 3003 weist bevorzugt die folgenden Anteile auf: 0 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Si; 0 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% Fe; 0,05 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% Cu; 1 ,0 Gew.-% bis 1 ,5 Gew.-% Mn; 0 Gew.-% bis 0,1 Zn; weiterhin können weitere Komponenten vorhanden sein, die einzeln bis zu 0,05 Gew.-% ausmachen und insgesamt 0,15 Gew.-% nicht
überschreiten. Der restliche Anteil der 3003-Legierung ist Aluminium.
Eine derartige Aluminiumlegierung vom Typ 3004 weist bevorzugt die folgenden Anteile auf: 0 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Si; 0 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% Fe; 0 Gew.-% bis 0,25 Gew.-% Cu; 1 ,0 Gew.-% bis 1 ,5 Gew.-% Mn; 0,8 Gew.-% bis 1 ,3 Gew-% Mg, 0 Gew.-% bis 0,25 Zn; weiterhin können weitere Komponenten vorhanden sein, die einzeln bis zu 0,05 Gew.-% ausmachen und insgesamt 0,15 Gew.-% nicht
überschreiten. Der restliche Anteil der 3004-Legierung ist Aluminium. Weiterhin kann anstelle von 3003 oder 3004 auch eine Aluminiumlegierung vom Typ 3005 oder 3105 verwendet werden.
Eine derartige Aluminiumlegierung vom Typ 3005 weist bevorzugt die folgenden Anteile auf: 0 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Si; 0 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% Fe; 0 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Cu; 1 ,0 Gew.-% bis 1 ,5 Gew.-% Mn; 0,2 Gew.-% bis 0,6 Gew-% Mg,
0 Gew.-% bis 0,10 Cr; 0 Gew.-% bis 0,25 Zn; 0 Gew.-% bis 0,10 Ti. Weiterhin können weitere Komponenten vorhanden sein, die einzeln bis zu 0,05 Gew.-% ausmachen und insgesamt 0,15 Gew.-% nicht überschreiten. Der restliche Anteil der 3005-Legierung ist Aluminium.
Weiterhin weist eine Aluminiumlegierung vom Typ 3105 bevorzugt die folgenden Anteile auf: 0 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Si; 0 Gew.-% bis 0,7 Gew.-% Fe; 0 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Cu; 0,3 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Mn; 0,2 Gew.-% bis 0,8 Gew-% Mg, 0 Gew.-% bis 0,20 Cr; 0 Gew.-% bis 0,40 Zn; 0 Gew.-% bis 0,10 Ti. Weiterhin können weitere Komponenten vorhanden sein, die einzeln bis zu 0,05 Gew.-% ausmachen und insgesamt 0,15 Gew.-% nicht überschreiten. Der restliche Anteil der 3105-Legierung ist Aluminium.
Der Sammler ist vorzugsweise als Halbzylinder ausgebildet und an seinen beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten verschlossen. Der Sammler weist
vorzugsweise einen umlaufenden Rand auf, über den der Sammler mit dem
Plattenwärmeübertragerblock bzw. dem besagten Materialbereich verschweißt wird. Die Trennwände und Fins laufen vorzugsweise senkrecht zu einer Längsachse des Sammlers, wenn dieser bestimmungsgemäß an den Plattenwärmeübertragerblock angeschweißt ist. Auf diese Weise können Austritts- bzw. Eintrittsöffnungen der jeweiligen Wärmeaustauschpassage, die jeweils durch zwei benachbarte Trennwände begrenzt wird und einen zwischen den beiden Trennwänden angeordneten Fin aufweist, in den Sammler münden. Weiterhin ist bevorzugt der zum Sammler gehörige Stutzen zylinderförmig ausgebildet und wird über eine Stirnseite des Stutzens mit dem Sammler, verschweißt, so dass der Stutzen mit einer Durchgangsöffnung des
Sammlers bzw. dem Sammler in Strömungsverbindung steht.
Der Plattenwärmeübertrager weist bevorzugt pro Fluid, das in den
Plattenwärmeübertrager geführt wird zwei Sammler mit Stutzen auf, wobei das Fluid über den einen Stutzen und Sammler in die zugehörigen Wärmeaustauschpassagen einleitbar ist und über den anderen Sammler bzw. Stutzen wieder ausleitbar ist.
Erfindungsgemäß sind bevorzugt sämtliche Sammler und zugehörige Stutzen nach dem oben anhand des eines Sammlers (und des zugehörigen Stutzens)
beschriebenen Verfahren an den Plattenwärmeübertragerblock angeschweißt.
Vorzugsweise weist der Plattenwärmeübertrager erste Wärmeaustauschpassagen für ein erstes Fluid auf, die jeweils durch zwei benachbarte Trennwände begrenzt werden und jeweils mit zwei Sammlern zum Einleiten bzw. Abziehen des ersten Fluides in Strömungsverbindung stehen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren an den Plattenwärmeübertragerblock angeschweißt sind. Weiterhin weist der
Plattenwärmeübertrager bevorzugt zweite Wärmeaustauschpassagen für ein zweites Fluid auf, die jeweils durch zwei benachbarte Trennwände begrenzt werden und jeweils mit zwei weiteren Sammlern zum Einleiten bzw. Abziehen des zweiten Fluides in Strömungsverbindung stehen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren an den Plattenwärmeübertragerblock angeschweißt sind. An die Sammler ist vorzugsweise je ein Stutzen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren angeschweißt. Die ersten und zweiten Wärmeaustauschpassagen sind vorzugsweise alternierend nebeneinander angeordnet, so dass die beiden Fluide durch benachbarte Wärmeaustauschpassagen strömen und indirekt Wärme miteinander austauschen können. In den
Wärmeaustauschpassagen, d.h., zwischen je zwei benachbarten Trennwänden ist bevorzugt je ein Fin angeordnet, der insbesondere eine gewellte Struktur aufweist, so dass jede Wärmeaustauschpassage eine Vielzahl von parallelen Kanälen zwischen den beiden jeweils zugeordneten Trennwänden ausbildet, durch die das jeweilige Fluid strömen kann. Die Trennwände und/oder die Fins sind vorzugsweise aus einer
Aluminiumlegierung vom Typ 3XXX gebildet (siehe oben), insbesondere 3003, 3004, 3005 oder 3105. Die Sidebars und Deckwände sind ebenfalls vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 3XXX gebildet (insbesondere 3003, 3004, 3005 oder Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird für die Schweißverbindung zwischen dem Sammler und dem Plattenwärmübertragerblock bzw. zwischen dem Stutzen und dem Sammler ein Schweißzusatz verwendet, der in seiner Festigkeit durch einen Warmauslagerprozess gesteigert werden kann. Vorzugsweise weist der Schweißzusatz einen Mg-Anteil von 0,1 Gew.-% bis 1 ,2% auf. Der Schweißzusatz ist ein Werkstoff, der beim Schweißen dazugegeben wird und mit dem Material des Sammlers und des Plattenwärmeübertragers bzw. des Sammlers und des Stutzens verschmolzen wird. Bevorzugt wird als Schweißzusatz ER4643 oder ER4943 (gemäß Norm ASME See. II Part C, SFA 5.10) für sämtliche Schweißnähte zwischen dem Sammler und dem Block sowie zwischen dem Sammler und dem Stutzen verwendet. Der Schweißzusatz ER4643 besteht aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 4643, die folgende Anteile aufweist: 3,6 Gew.-% bis 4,6 Gew.-% Si; 0 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Fe; 0 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% Cu; 0 Gew.-% bis 0,05 Gew.-% Mn; 0,1 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Mg; 0 Gew.-% bis 0,10 Zn; 0 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Ti; 0 Gew.-% bis 0,0003 Gew.-% Be; weiterhin können weitere Komponenten vorhanden sein, die einzeln bis zu 0,05 Gew.-% ausmachen und insgesamt 0,15 Gew.-% nicht
überschreiten. Der restliche Anteil des Schweißzusatzes ER4643 ist Aluminium.
Der Schweißzusatz ER4943 besteht aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 4943, die folgende Anteile aufweist: 5,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% Si; 0 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Fe; 0 Gew.-% bis 0,1 Gew.-% Cu; 0 Gew.-% bis 0,05 Gew.-% Mn; 0,1 Gew.-% bis 0,5 Gew.-% Mg; 0 Gew.-% bis 0,10 Zn; 0 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% Ti; 0 Gew.-% bis 0,0003 Gew.-% Be; weiterhin können weitere Komponenten vorhanden sein, die einzeln bis zu 0,05 Gew.-% ausmachen und insgesamt 0,15 Gew.-% nicht
überschreiten. Der restliche Anteil des Schweißzusatzes ER4943 ist Aluminium.
Hierdurch wird mit Vorteil die Gefahr von Wiederaufschmelzrissen beim Schweißen sowie von LME im Betriebseinsatz vermieden, die bei Verwendung eines
Schweißzusatzes mit einem Mg-Gehalt oberhalb von 3 Gew.-% (z.B. ER5183, ER5356 oder ER5556) deutlich erhöht ist. Weiterhin wird hierdurch auch der starke
Festigkeitsabfall vermieden, der im Schweißgut bzw. der betreffenden Schweißnaht bei Verwendung eines für die Legierungsserie 6XXX typischen Schweißzusatzes mit einem Mg-Gehalt unterhalb von 0,1 Gew.-% (z.B. ER4043, ER4047) auftritt. Weiterhin ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Stützelement, das auch als Schweißunterlage bezeichnet wird, am Sammler fixiert wird, insbesondere an einer dem Plattenwärmeübertragerblock im angeschweißten Zustand zugewandten Innenseite des Sammlers, und der Sammler über das
Stützelement am Plattenwärmeübertrager abgestützt wird, so dass ein vordefinierter Spalt zwischen einem Rand des Sammlers und einem dem Rand gegenüberliegenden Materialbereich des Plattenwärmeübertragerblocks gebildet wird, wobei vorzugsweise zum Anschweißen des Sammlers an den Materialbereich des
Plattenwärmeübertragerblocks, der Rand des Sammlers mit dem Materialbereich durch Ausbilden einer den Rand mit dem Materialbereich verbindenden Schweißnaht verschweißt wird. Hierbei wird bevorzugt der oben beschriebene Schweißzusatz zugegeben. Aufgrund des Stützelements bzw. der Schweißunterlage wird verhindert, dass flüssiges Schweißgut in den Innenraum des Sammlers hineinfließt. Vielmehr bildet die Schweißunterlage eine Barriere für das Schweißgut und begrenzt somit die Schweißnaht zum Innenraum des Sammlers hin.
Zum Anschweißen des Sammlers an den Plattenwärmeübertragerblock bzw. des Stutzens an den Sammler können geeignete Schweißverfahren verwendet werden, insbesondere Wolfram-Inertgasschweißen (WIG) oder MIG (Metallschweißen mit inerten Gasen nach EN ISO 4063).
Vorzugsweise wird während des Schweißens ein Schutzgas verwendet, das einen Volumenprozentanteil von mindestens 50% Helium, insbesondere (genau) 50% Helium, aufweist, wodurch ein Vorwärmen der zu verschweißenden Bauteile nicht mehr notwendig ist. Besonders bevorzugt wird als Schutzgas eine Gasmischung aus Helium und Argon und ggf. Dotierungen von Stickstoff, Sauerstoff und Stickoxid NO verwendet. Die Dotierungen liegen vorzugsweise im einstelligen oder zweistelligen ppm (parts per million) Bereich. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager, mit: einem Plattenwärmeübertragerblock, der eine Mehrzahl an
Wärmeaustauschpassagen zur Aufnahme eines Fluides aufweist, einem mit dem Plattenwärmeübertrager verbundenen Sammler, der mit den
Wärmeaustauschpassagen in Strömungsverbindung steht, so dass das Fluid über den Sammler in die Wärmeaustauschpassagen einleitbar oder aus diesen abziehbar ist, wobei der Sammler aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 6XXX beseht, sowie insbesondere mit einem mit dem Sammler verbundenen Stutzen, der mit dem Sammler in Strömungsverbindung steht, so dass das Fluid über den Stutzen in den Sammler einleitbar oder aus diesem abziehbar ist, wobei insbesondere der Sammler aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 6XXX besteht, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass der Sammler, sowie vorzugsweise auch der Stutzen, mittels eines
erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem Plattenwärmeübertragerblock verbunden ist.
Insbesondere kann der Plattenwärmeübertrager - wie oben bereits beschrieben - natürlich auch mehrere Sammler und insbesondere je einen mit dem jeweiligen
Sammler verbundenen Stutzen aufweisen.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen bei den
nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren beschrieben werden. Es zeigen:
Fig. 1 einen Ausschnitt eines Phasendiagramms der Legierung Al-Mg;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Plattenwärmeübertragers, bei dem die Sammler und die Stutzen mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren mit dem Plattenwärmeübertragerblock verbunden sind; und
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht einer Schweißunterlage, die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann.
Fig. 1 zeigt zur Verdeutlichung des eingangs genannten Zusammenhangs zwischen dem Mg-Gehalt des Sammlerwerkstoffs und des Risikos einer Flüssig-Metall- Versprödung (LME) ein Phasendiagramm des Systems Al-Mg. Wie dem
Phasendiagramm zu entnehmen ist, befindet man sich bei einem Mg-Gehalt unterhalb von 1 ,2 Gew.-% (der Mg-Gehalt ist auf der Abszisse in Gew.-% angegeben) über den gesamten Temperaturbereich (in °C auf der Ordinate) in einem Einphasengebiet (AI bzw. α-Phase), in dem die ß-Phase (AI2Mg3) nicht auftritt, was das Risiko von LME deutlich herabsetzt. Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager 10, der mehrere parallel zueinander angeordnete Trennwände in Form von Trennblechen 4, aufweist, die eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen 1 für die miteinander in indirekte Wärmeübertragung zu bringenden Fluide A, B, C, D, E bilden. Die Trennwände bestehen insbesondere aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 3003. Der
Wärmeaustausch zwischen den am Wärmeaustausch teilnehmenden Fluiden findet dabei zwischen benachbarten Wärmeaustauschpassagen 1 statt, wobei die
Wärmeaustauschpassagen 1 und somit die Fluide durch die Trennbleche 4 voneinander getrennt sind. Der Wärmeaustausch erfolgt mittels Wärmeübertragung über die Trennbleche 4 sowie über die zwischen den Trennblechen 4 angeordneten Heizflächenelemente (Fins) 3, die insbesondere ebenfalls aus einer
Aluminiumlegierung vom Typ 3003 bestehen. Die Wärmeaustauschpassagen 1 sind durch bündig am Rand der Trennbleche 4 angebrachte Seitenleisten in Form von Blechstreifen 8, im Weiteren auch als Sidebars 8 bezeichnet, nach außen
abgeschlossen. Insbesondere bestehen auch die Sidebars 8 aus einer
Aluminiumlegierung vom Typ 3003. Innerhalb der Wärmeaustauschpassagen 1 bzw. zwischen je zwei Trennplatten 4 sind die gewellten (im Querschnitt meanderförmigen) Fins 3 angeordnet, wobei ein Querschnitt eines Heizflächenelementes 3 in dem Detail der Figur 2 gezeigt ist. Danach weisen die Fins 3 jeweils eine wellenförmige Struktur mit alternierenden Wellentälern 12 und Wellenbergen 14 auf, wobei je ein Wellental 12 mit einem benachbarten Wellenberg 14 über eine Flanke 13 des betreffenden
Heizflächenelementes 3 verbunden ist, so dass sich die wellenförmige Struktur ergibt. Die wellenförmige Struktur muss nicht verrundet ausgebildet sein, sondern kann auch eine rechteckförmige bzw. stufenförmige Gestalt aufweisen. Durch die wellenförmige Struktur werden - zusammen mit den beidseitigen Trennwänden 4 - Kanäle zur Führung des Fluides in der jeweiligen Wärmeaustauschpassage 1 gebildet. Die Wellenberge 14 und Wellentäler 12 der wellenförmigen Struktur des jeweiligen Fins 3 sind mit den jeweils benachbarten Trennblechen 4 verbunden. Die am
Wärmeaustausch teilnehmenden Fluide sind somit im direkten Wärmekontakt mit den wellenförmigen Strukturen, so dass der Wärmeübergang durch den thermischen Kontakt zwischen den Wellenbergen 14 bzw. Wellentälern 12 und Trennblechen 4 gewährleistet ist. Zur Optimierung der Wärmeübertragung wird die Ausrichtung der wellenförmigen Struktur in Abhängigkeit vom Anwendungsfall so gewählt, dass eine Gleich-, Kreuz-, Gegen- oder Kreuz-Gegenströmung zwischen benachbarten
Passagen ermöglicht wird. Der Plattenwärmeübertrager weist ferner Öffnungen 9 zu den
Wärmeaustauschpassagen 1 auf, z.B. an den Enden des Plattenwärmeübertragers oder an einem mittleren Abschnitt, über die Fluide A, B, C, D, E in die
Wärmeaustauschpassagen 1 eingeleitet bzw. aus diesen abgezogen werden können. Im Bereich dieser Öffnungen 9 können die einzelnen Wärmeaustauschpassagen 1 Verteilerfins 2 aufweisen, die das jeweilige Fluid auf die Kanäle eines Fins 3 der betreffenden Wärmeaustauschpassage 1 verteilen. Ein Fluid A, B, C, D, E kann also über eine Öffnung 9 des Plattenwärmeübertragerblocks 11 in die zugeordnete Wärmeaustauschpassage 1 eingeleitet werden und durch eine weitere Öffnung 9 aus der betreffenden Wärmeaustauschpassage 1 wieder abgezogen werden.
Die Trennbleche 4, Fins 3 und Sidebars 8 sowie ggf. weitere Komponenten (z.B. Verteilerfins 2) werden durch Hartlöten miteinander verbunden. Hierzu werden die mit Lot versehenen Heizflächenelemente (Fins) 3, Trennbleche 4, Verteilerfins 2,
Deckbleche 5 und Sidebars 8 aufeinander gestapelt und anschließend in einem Ofen zu einem Wärmeübertragerblock 11 hartgelötet.
Zur Zu- bzw. Abführung der wärmeaustauschenden Fluide A, B, C, D, E werden über den Öffnungen 9 halbzylinderförmige Sammler 7 (oder Header) angeschweißt, wobei die Sammler 7 bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 6XXX, insbesondere 6061 , bestehen und sich im Ausgangszustand T4 befinden. Nach dem Anschweißen der Sammler 7 wird der gesamte Block 11 warmausgelagert, und zwar zum Beispiel bei einer Temperatur im Bereich von 155°C bis 190°C sowie über eine Zeitdauer im Bereich von 4 Stunden bis 18 Stunden.
Weiterhin ist an jeden Sammler 7 vorzugsweise ein zylindrischer Stutzen 6
angeschweißt. Die Stutzen 6 dienen zum Anschluss einer zu- bzw. abführenden Rohrleitung an den jeweiligen Sammler 7. Der jeweilige Stutzen 6 besteht ebenfalls bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 6XXX, insbesondere 6061 , und befindet sich des Weiteren vor dem Anschweißen an den zugeordneten Sammler 7 im Ausgangszustand T4. Es wird wiederum der gesamte Block 11 samt damit verschweißten Sammlern 7 und mit den Sammlern 7 verschweißten Stutzen 6 warmausgelagert, und zwar bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 155°C bis 190°C sowie über eine Zeitdauer im Bereich von 4 Stunden bis 18 Stunden. Es ist auch möglich, zunächst die Stutzen 6 an die Sammler 7 und danach die Sammler 7 (samt Stutzen 6) an den Plattenwärmeübertragerblock 1 1 anzuschweißen.
Eine bevorzugte Variante des Ausführens einer Schweißverbindung bzw. Schweißnaht zwischen dem Sammler 7 und dem Plattenwärmeübertragerblock ist in der Fig. 3 gezeigt.
Danach wird zunächst ein Stützelement 20, das auch als Schweißunterlage bezeichnet wird, an einer Innenseite 7a eines Sammlers 7 fixiert, z.B. über eine
Schweißverbindung 22, und der Sammler 7 wird sodann über den zugeordneten
Öffnungen 9 angeordnet, wobei er auf dem Stützelement 20 (oder ggf. auf mehreren Stützeelementen 20) abgestützt wird, so dass ein definierter Spalt zwischen dem Plattenwärmeübertragerblock 11 und einem umlaufenden Rand 7b des
halbzylindrischen Sammlers 7 gebildet wird, wobei zum Anschweißen des Sammlers 7 an den Materialbereich 11a des Plattenwärmeübertragerblocks 1 , der Rand 7b des Sammlers 7 mit dem Materialbereich 1 1a durch Ausbilden einer den Rand 7b mit dem Materialbereich 11 a verbindenden Schweißnaht 21 verschweißt wird, wobei die mindestens eine Schweißunterlage 20 gleichzeitig eine Barriere für die Schweißnaht 21 bildet, die verhindert, dass Schweißgut, das dem Aufbau der Schweißnaht 21 dienen soll, in den Innenraum I des Sammlers 7 fließt.
Bezugszeichenliste
1 Wärmeaustauschpassagen
2 Verteilerfins
3 Fins
4 Trennwände
5 Deckwände
6 Stutzen
7 Sammler
7a Innenseite
7b Rand
8 Sidebars
9 Öffnungen
10 Plattenwärmeübertrager
11 Plattenwärmeübertragerblock
11 Materialbereich
12 Wellental
13 Flanke
14 Wellenberg
20 Schweißunterlage
21 , 22 Schweißnaht
A, B, C, D, E Fluid
I Innenraum

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Verbinden eines Plattenwärmeübertragerblocks (11), der eine Mehrzahl an Wärmeaustauschpassagen (1) zur Aufnahme eines Fluides (A, D, C, D, E) aufweist mit einem Sammler (7), über den das Fluid in die
Wärmeaustauschpassagen (1) einleitbar oder aus diesen abziehbar ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bereitstellen des Plattenwärmeübertragerblocks (11),
Bereitstellen des Sammlers (7), wobei der Sammler (7) aus einer
ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung besteht oder eine solche aufweist, und wobei die Aluminiumlegierung Magnesium (Mg) und Silizium (Si) aufweist,
Anschweißen des Sammlers (7) an den Plattenwärmeübertragerblock (11), so dass der Sammler (7) in Strömungsverbindung mit den
Wärmeaustauschpassagen (1) steht, und
Warmauslagern des Plattenwärmeübertragerblocks (11) samt Sammler (7).
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Aluminiumlegierung Mg im Bereich von 0,2 Gew.-% bis 1 ,4 Gew.-% und/oder Si im Bereich von 0,2 Gew.-% bis 1 ,8 Gew.-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Aluminiumlegierung eine Aluminiumlegierung vom Typ 6XXX ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass sich die Aluminiumlegierung beim Bereitstellen des Sammlers (7) sowie vor dem Anschweißen des Sammlers (7) an den
Plattenwärmeübertragerblock (1 1) im Zustand T4 befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass vor dem Warmauslagern ein Stutzen (6) an den
Sammler (7) angeschweißt wird, so dass der Stutzen (6) in
Strömungsverbindung mit dem Sammler (7) steht, und so dass das Fluid über den Stutzen (6) in den Sammler (7) einleitbar oder aus diesem abziehbar ist, wobei bei dem Warmauslagern der Plattenwärmeübertragerblock (11) zusammen mit dem Sammler (7) und dem an den Sammler (7) angeschweißten Stutzen (6) warmausgelagert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stutzen (6) aus einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung, insbesondere vom Typ 6XXX, besteht und sich vor dem Anschweißen an den Sammler (7) im Zustand T4 befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Sammler (7) und/oder der Stutzen (6) aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 6061 T4 besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Warmauslagern bei einer Temperatur im Bereich von 155°C bis 190°C über eine Zeitdauer im Bereich von 4 Stunden bis 18 Stunden vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Materialbereich (1 1a) des
Plattenwärmeübertragerblocks (11) an den der Sammler (7) angeschweißt wird, aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 3XXX besteht, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 3003, 3004, 3005, oder 3105.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass beim Anschweißen des Sammlers (7) und/oder des Stutzens (6) ein Schweißzusatz verwendet wird, der einen Mg-Gehalt im
Bereich von 0,1Gew.-% bis 1 ,2Gew.-% aufweist, insbesondere ER4643 oder ER4943.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Schweißunterlage (20) am Sammler (7) fixiert wird und der Sammler (7) über die Schweißunterlage (20) am
Plattenwärmeübertragerblock (11 ) abgestützt wird, so dass ein vordefinierter Spalt zwischen einem Rand (7b) des Sammlers (7) und einem dem Rand (7b) gegenüberliegenden Materialbereich (11 a) des Plattenwärmeübertragerblocks (11 ) gebildet wird, wobei zum Anschweißen des Sammlers (7) an den
Materialbereich (11a) des Plattenwärmeübertragerblocks (11), der Rand (7b) des Sammlers (7) mit dem Materialbereich (11a) durch Ausbilden einer den Rand (7b) mit dem Materialbereich (11 a) verbindenden Schweißnaht (21) verschweißt wird, wobei die Schweißunterlage (20) eine Ausdehnung der Schweißnaht (21) begrenzt.
Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Schweißunterlage (20) aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 3XXX besteht, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung vom Typ 3003, 3004, 3005 oder 3105.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass während des Schweißens ein Schutzgas eingesetzt wird, das einen Volumenprozentanteil von mindestens 50% Helium aufweist.
Plattenwärmeübertrager (10), mit:
- einem Plattenwärmeübertragerblock (11 ), der eine Mehrzahl an
Wärmeaustauschpassagen (1) zur Aufnahme eines Fluides (A, B, C, D, E) aufweist,
- einem mit dem Plattenwärmeübertragerblock (11) verbundenen Sammler (7), der mit den Wärmeaustauschpassagen (1 ) in Strömungsverbindung steht, so dass das Fluid über den Sammler (7) in die Wärmeaustauschpassagen (1) einleitbar oder aus diesen abziehbar ist, wobei der Sammler (7) aus einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung aufweisend Mg und Si, insbesondere vom Typ 6XXX, besteht, sowie
- insbesondere einem mit dem Sammler (7) verbundenen Stutzen (6), der mit dem Sammler (7) in Strömungsverbindung steht, so dass das Fluid über den Stutzen (6) in den Sammler (7) einleitbar oder aus diesem abziehbar ist, wobei insbesondere der Stutzen (6) aus einer ausscheidungshärtbaren
Aluminiumlegierung, insbesondere vom Typ 6XXX, besteht,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Sammler (7), sowie insbesondere auch der Stutzen (6), mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit dem
Plattenwärmeübertragerblock (11) verbunden ist.
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