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Dokumentenidentifikation DE3916316A1 22.11.1990
Titel Verfahren zur Herstellung eines Kopfstücks eines Wärmetauschers
Anmelder Deutsche Carbone AG, 6000 Frankfurt, DE
Erfinder Ulrich, Heinz Peter, Dipl.-Ing. (FH), 6000 Frankfurt, DE
Vertreter Weinhold, P., Dipl.-Chem. Dr.; Barz, P., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., 8000 München; Dannenberg, G., Dipl.-Ing.; Gudel, D., Dr.phil.; Schubert, S., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 6000 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 19.05.1989
DE-Aktenzeichen 3916316
Offenlegungstag 22.11.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.1990
IPC-Hauptklasse B29C 39/02
IPC-Nebenklasse F28F 9/02   F28D 1/053   B29C 39/26   B29D 22/00   
IPC additional class // B29K 103:06,B29L 31:18  
Zusammenfassung Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kopfstücks eines Wärmetauschers mit Hilfe eines verlorenen Kerns, der den Hohlraum des Kopfstücks formt, so daß der Raum zwischen dem Kern und einem äußeren Formgehäuse mit einer aushärtbaren Masse ausgegossen werden kann.
Bei einer abgeänderten Ausführungsform, die insbesondere für Wärmetauscher mit Rohren mit kreisrundem Profil geeignet ist, verwendet man statt des verlorenen Kerns einen entsprechend geformten druckfesten Formkörper, ebenfalls mit Ansätzen, die in die Rohrenden der Rohre eingesetzt sind.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch kompliziert geformte Kopfstücke herstellen, die hochbelastbar sind.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kopfstücks eines Wärmetauschers.

Soweit bekannt werden derartige Kopfstücke nach dem Stand der Technik aus Blech gefertigt. Dies ist aber aufwendig und die derart hergestellten Kopfstücke sind nicht immer hochbelastbar, insbesondere wenn aggresive Medien den Wärmetauscher durchströmen und/oder die Medien unter hohen Drücken und/oder hohen Temperaturen stehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgebe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem kostengünstig Kopfstücke von Wärmetauschern hergestellt werden können, die allen in der Praxis gestellten Anforderungen genügen, insbesondere bezüglich Druckfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und/oder Temperaturfestigkeit.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden zwei Wege vorgeschlagen. Der erste Lösungsweg ist dadurch gekennzeichnet, daß ein verlorener Kern aus einem leicht schmelzenden Material entsprechend dem Hohlraum des Kopfstücks einschließlich wenigstens einem Ansatz für einen Strömungsweg des Mediums des Wärmetauschers sowie mehrerer Fortsätze zum Einsatz in Rohrenden der Rohre des Wärmeaustauschers einstückig hergestellt wird, der mit seinen Fortsätzen auf die Rohrenden aufgesetzt und von einem Formgehäuse derart umschlossen wird, daß die Rohre und der Ansatz nach außen münden, worauf der Raum zwischen dem Formgehäuse und dem Kern mit einer aushärtbaren Masse ausgegossen wird, nach deren Erstarren das leicht schmelzende Material durch Erwärmen entfernt wird und auch das Formgehäuse entfernt wird.

Nach dieser an sich bekannten Methode des sogenannten verlorenen Kerns kann man also je nach den entsprechenden Erfordernissen geformte Kopfstücke mit entsprechenden Hohlräumen herstellen, wobei die Kopfstücke aus einem geeigneten Material bestehen, welches den jeweils an den betreffenden Wärmetauscher gestellten Anforderungen genügt. Man begnügt sich aber nicht damit, erfindungsgemäß lediglich den Hohlraum des Kopfstücks mit Hilfe des verlorenen Kerns zu formen, sondern gleichzeitig werden der Ansatz für den Strömungsweg des Mediums und die Fortsätze zum Einsatz in die Rohrenden mitgeformt, so daß das komplette Kopfstück nach dem Gießen und Aushärten des Gießmaterials mitsamt seiner Anschlüsse schon fest mit dem Rohrbündel des Wärmetauschers verbunden ist. Das Gießverfahren bedingt hierbei gleichzeitig, daß die Öffnungen im Kopfstück für die Aufnahme der Rohrenden an der richtigen Stelle sitzen und die richtige Form habe, weil erfindungsgemäß die Rohrenden selbst den Formteil dafür ausbilden.

Der zweite Lösungsweg ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein hohler, druckfester Formkörper mit wenigstens einem nach außen mündenden Strömungskanal für ein Medium und mit mit dem Strömungskanal in Strömungsverbindung stehenden, hohlen Ansätzen hergestellt wird, die in Strömungsverbindung mit den Rohrenden der Rohre des Wärmetauschers gebracht werden, worauf der Formkörper mit einem Formgehäuse derart umschlossen wird, daß der Strömungskanal und die Rohre nach außen münden, worauf der Raum zwischen dem Formköper und dem Formgehäuse mit einer aushärtbaren Masse ausgegossen wird, nach deren Erstarren das Formgehäuse entfernt wird.

Dieses Verfahren eignet sich besonders bei symmetrisch profilierten Rohrenden, insbesondere kreisrunden Rohrenden, weil dann die Ansätze des Formkörpers entsprechend profiliert sind und leicht hergestellt werden können. Im allgemeinen wird man für die hohlen Ansätze entsprechende Rohrstücke verwenden, die über ein gemeinsames Rohrstück miteinander in Strömungsverbindung stehen. Die die Ansätze ausbildenden Rohrstücke wird man im allgemeinen in die Rohrenden der Rohre des Wärmetauschers einsetzen. Es ist aber auch möglich, sie über die Rohrenden zu schieben. Wesentlich ist es lediglich, daß eine druckdichte Verbindung zwischen den Rohrenden und den Ansätzen hergestellt wird.

Bei diesem zweiten Lösungsweg verwendet man also, wie beim vorher beschriebenen ersten Lösungsweg, ebenfalls eine aushärtbare Masse, die im Bereich der Rohrenden ohne weiteres Zutun richtig geformt wird, weil die Rohrenden selbst dort die Formung übernehmen.

Die dichtende Verbindung zwischen den Rohrenden und der Wand des Kopfstücks kann durch ein geeignetes Klebemittel unterstützt werden, welches den dort auftretenden Temperaturen standhält.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Ansicht eines Wärmetauschers zur Erläuterung der grundsätzlichen Funktionsweise, wobei dessen Kopfstücke nach dem Stand der Technik ausgebildet sind;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht eines Wärmetauschers mit Kopfstücken, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind;

Fig. 3-8 Verfahrensschritte zur Erläuterung der Herstellung der Kopfstücke nach der Methode des verlorenen Kerns, und zwar im einzelnen Fig. 3 eine Ansicht des verlorenen Kerns;

Fig. 4 eine Ansicht von Fig. 3 in Richtung des Pfeiles A;

Fig. 5 den verlorenen Kern nach Fig. 3 und 4 mit Formgehäuse, Rohrenden und Gießmasse;

Fig. 6 eine Ansicht von Fig. 5 in Richtung des Pfeiles A;

Fig. 7 die Situation nach Fig. 5 und 6 nach dem Herausschmelzen des verlorenen Kerns;

Fig. 8 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles A von Fig. 7;

Fig. 9 perspektivisch eine abgeänderte Ausführungsform eines Wärmetauschers mit hinterem Kopfstück, wobei das vordere Kopfstück noch nicht hergestellt worden ist;

Fig. 10 die Situation von Fig. 9 nach der Herstellung auch des vorderen Kopfstücks, wobei Teile zur Verdeutlichung abgebrochen gezeichnet sind;

Fig. 11 eine Ansicht zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens eines derartigen Kopfstücks mit Hilfe eines hohlen, druckfesten Formkörpers;

Fig. 12 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles B von Fig. 11.

Herkömmliche Wärmetauscher, wie in Fig. 1 gezeigt, setzen sich im allgemeinen aus Wärmetauscherelementen 1, beispielsweise Rohrbündeln, und Anschlußteilen 2 zusammen. Während die Wärmetauscherelemente dem Wärmeaustausch zwischen den Stoffräumen I und II dienen, dienen die Anschlußteile zum Verschließen des Stoffraums II.

Die Anschlußteile 2 werden beim Stand der Technik mittels Spannvorrichtungen 3 mit den Wärmetauscherelementen 1 schlüssig verspannt. Die Abdichtung erfolgt allgemein mittels Dichtungen 4.

Erfindungsgemäß wird eine Lösung gezeigt, die nach Fig. 2 ein Verspannen und Abdichten der Anschlußteile mit dem Wärmetauscherelement unnötig macht.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man das Kopfteil 3 des Wärmetauschers mitsamt dem Anschlußteil 2 einstückig ausführt, wobei die Zufuhr des Wärmeträgermediums in den Stoffraum II über einen erfindungsgemäß in das Kopfstück 3 eingearbeiteten Hohlraum 4 erfolgt.

Bei dem Herstellungsverfahren nach Fig. 3 bis 8 wird der Hohlraum 4 durch ein Kernschmelzverfahren hergestellt. Dies wird im folgenden näher erläutert.

Zunächst stellt man einen später zu schmelzenden Kern 5 her. Hierzu wird ein thermisch leicht schmelzbares Produkt, z. B. Paraffin, in eine definierte Form 6 gegeben, die in ihren äußeren Abmessungen und in ihrer Form dem herzustellenden Hohlraum 4 entspricht. Einstückig mit diesem Hohlraum werden ein Ansatz 7 und mehrere Fortsätze 8 aus demselben, leicht schmelzenden Material hergestellt.

Der mit diesem Arbeitsgang erzeugte Kern 5 kann nun mittels Haltevorrichtungen in einem äußeren Formelement 9 fixiert werden. Dies ist in Fig. 5 und 6 gezeigt.

Wird nun der sich ergebende Hohlraum zwischen dem Kern 5 und dem Formelement 9 mit einem thermisch oder katalytisch aushärtbaren Medium ausgefüllt, so erhält man einen Formkörper 10 mit den geometrischen Außenabmessungen des äußeren Formelements 9.

Die Fig. 5 und 6 zeigen auch, daß formgebend für den Formkörper 10 auch die Rohrenden 11 des Wärmetauschers sind, die in das äußere Formelement 9 hineinragen. Außerdem zeigen die Fig. 5 und 6, daß der Ansatz 7 aus dem Formelement 9 herausgeführt ist und daß die Fortsätze 8 in die Rohrenden 11 eingesetzt sind.

Wird nun nach dem Aushärten des Formkörpers 10 und dem Entfernen des Formelements 9 die aus dem Formkörper 10 und dem verlorenen Kern 6, 7, 8 bestehende Einheit über den Schmelzpunkt des Materials (Paraffin) erwärmt, so läuft das jetzt verflüssigte Material über den bei Pos. 7 gebildeten Kanal aus und es ergibt sich die Konfiguration nach Fig. 7 und 8, d.h. das fertige Kopfstück mit Hohlraum 4 und angegossenen Rohrenden 11 und einer Öffnung 12, die dem Ansatz 7 des verlorenen Kerns entspricht. Der Hohlraum 4 entspricht somit in seinen Abmessungen dem Kern 6.

Nach dem beschriebenen Verfahren ist es möglich, Wärmetauscherelemente ähnlich Fig. 2 zu fertigen. Herbei ist der innere Kern 5 so auszuführen, daß er in seiner Form der Geometrie der Wärmetauscherelemente entspricht. Als Wärmetauscherelemente können Rohre mit jeglicher Querschnittsform, beispielsweise rund, oval, eckig, lamellenförmig usf., verwandt werden. Der innere Kern 5 muß weiterhin so ausgeführt sein, daß er nach dem Ausschmelzen die beiden Kopfstücke des Wärmetauschers miteinander verbindet, und zwar über das Rohrbündel.

In Kleinfeuerungsanlagen kommen vielfach modular aufgebaute Wärmetauscherelemente zum Einsatz. Um den thermischen und auch physikalischen wie auch chemischen Beanspruchungen zu widerstehen, müssen diese Wärmetauscherelemente vielfach aus einem hochkorrosionsfesten Werkstoff gefertigt werden. Hierzu bietet sich vorzugsweise der Einsatz von keramischen Werkstoffen an, beispielsweise imprägnierter Elektrographit, Silliziumcarbid und dergleichen.

Dies wird im folgenden anhand der Fig. 9 und 10 durch ein Beispiel näher verdeutlicht. Die dort verwendeten Wärmetauscherelemente sind Rohre aus imprägniertem Elektrographit in rechteckiger Ausführung Pos. 13. Bei diesem Rohrtyp wird das flüssige Wärmeträgermedium des Stoffraums II durch Bohrungen 14 geführt und das gasförmige Wärmeträgermedium des Stoffraums I wird durch Spalte 15 zwischen den Rohrreihen geführt. Die Zu- und Ableitung des flüssigen Wärmeträgermediums II erfolgt über den erfindungsgemäß erzeugten Hohlraum in den Kopfstücken des Wärmetauschers.

Für die Herstellung der Hohlräume des Wärmetauschers wird zunächst ein innerer Formkörper mit den erforderlichen Ablaufkanälen aus Paraffin gefertigt. Dieser Formkörper wird dann mit den einzuschließenden Rohren 13 verbunden und in ein äußeres Formgehäuse eingebracht, ganz wie vorstehend beschrieben. Das äußere Formgehäuse ist so ausgeführt, daß es einerseits die Wärmetauscherelemente 13 in einer definierten Position fixiert und andererseits in seiner Form die spätere Außenabmessung des Wärmetauscherkopfes beinhaltet.

Es wird nun der freie Raum zwischen den Rohren sowie der freie Raum zwischen dem inneren Formkörper einerseits und dem äußeren Formkörper andererseits mit einem katalytisch aushärtenden Graphit-Harzgemisch aufgefüllt und ausgehärtet.

Der ausgehärtete Formkörper mit den in die Gießmasse eingebundenen Rohren 13 wird nun bis zum Schmelzpunkt des inneren Formkörpers erhitzt, so daß das erweichende und flüssige Paraffin über die vorgesehenen Ableitungskanäle 16 ablaufen kann. Mit diesem Arbeitsgang erhält man dann das in Fig. 10 gezeigte Wärmetauscherelement.

Im folgenden wird anhand der Fig. 11 und 12 der zweite Lösungsweg näher erläutert. Während nämlich die Kernschmelzmethode Vorteile bei der Verwendung von nicht symmetrischen Bauteilen, z. B. Rohren mit rechteckigem Profil, ist, ist bei der Verwendung von symmetrischen Bauteilen der Einsatz von vorgefertigten, druckfesten Formkörpern 17 vorteilhaft, da dadurch eine einfache Herstellung des Hohlraumes 4 möglich wird.

In Fig. 11 und 12 werden in die Rohrenden 11 als Verteilerelemente dienende Ansätze oder Rohrstücke 18 eingebracht. Diese Verteilerelemente sind so ausgeführt, daß sie formschlüssig in die Enden der Wärmetauscherelemente passen und gleichzeitig eine definierte Stellung der Wärmetauscherelemente ermöglichen.

Zur Befestigung und gleichzeitigen Abdichtung wurden die Rohrstücke 18 mit Hilfe eines Reaktionsklebers an den Rohrenden 11 befestigt.

Die Ansätze 18 sind mit einem gemeinsamen Rohrstück 19 verbunden und bilden dadurch den Formkörper 17 aus.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird das äußere Formelement 9 so angeordnet, daß es den Formkörper 17 in dem gewünschten Abstand möglichst gleichmäßig umschließt.

Der sich dadurch ergebende freie Raum zwischen dem Formkörper 17 und dem Formelement 9 wird nunmehr mit einem katalytisch aushärtenden Graphit-Harzgemisch ausgefüllt, welches dann aushärtet.

Nach Entfernung des äußeren Formelements erhält man dann das Kopfstück 3 mit dem eingearbeiteten Hohlraum 4.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 und 12 übernimmt der Formkörper 17 mit seinen Rohren 19 prinzipiell die Funktion des Kopfstücks. Jedoch kann der Formkörper 17 nicht für sich alleine stehen, so daß der Körper 10 zusätzlich eine versteifende, stützende Funktion übernimmt. Gleichzeitig bildet der Körper 10 die Abgrenzung zum Produktraum 1, wie in Fig. 10 dargestellt.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Kopfstück wird vorzugsweise in agressiven Medien (Gasen) eingesetzt. Dabei schützt der Körper 10, der vorzugsweise aus dem erwähnten hochkorrosionsfesten Werkstoff besteht, den ggfs. nicht korrosionsbeständigen Formkörper 17 mit seinen Rohren 18, 19 vor Korrosion, die durch die von außen auftretenden Gase bedingt würde.

Als Werkstoffe empfehlen sich folgende Materialien bzw. Materialkombinationen:

Formkörper 10 Rohr 11 Graphit/Harz Graphit Graphit/Harz Sinterkeramik Sinterkeramik Sinterkeramik Kunststoff Kunststoff


Wichtig ist auch die in Fig. 9 gezeigte Lamellenform der Rohre 13 zusammen mit den erläuterten Kopfstücken, bei der also mehrere der Rohre zu einem lamellenförmigen Teil zusammengefaßt sind und mehrere dieser Lamellen modulartig zusammengesetzt sind.

Die Querschnittsformen wird man den jeweiligen Gegebenheiten anpassen; kreisrunde Rohre, wie dargestellt, bieten häufig Vorteile, insbesondere bei der Herstellung.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung eines Kopfstückes eines Wärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, daß ein verlorener Kern (5) aus einem leicht schmelzenden Material entsprechend dem Hohlraum (4) des Kopfstückes (3) einschließlich wenigstens einem Ansatz (7) für einen Strömungsweg des Mediums des Wärmetauschers sowie mehrerer Fortsätze (8) zum Einsatz in Rohrenden (11) der Rohre (1) des Wärmetauschers einstückig hergestellt wird, der mit seinen Fortsätzen (8) auf die Rohrenden (11) aufgesetzt und von einemFormgehäuse (9) derart umschlossen wird, daß die Rohre (11) und der Ansatz (7) nach außen münden, worauf der Raum zwischen dem Formgehäuse (9) und dem Kern (5) mit einer aushärtbaren Masse ausgegossen wird, nach deren Erstarren das leicht schmelzende Material durch Erwärmen entfernt wird und auch das Formgehäuse (9) entfernt wird.
  2. 2. Verfahren zur Herstellung eines Kopfstücks eines Wärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, daß ein hohler, druckfester Formkörper (17) mit wenigstens einem nach außen mündenden Strömungskanal (19) für ein Medium und mit dem Strömungskanal in Strömungsverbindung stehendend, hohlen Ansätzen (18) hergestellt wird, die in Strömungsverbindung mit den Rohrenden (11) der Rohre (1) des Wärmetauschers gebracht werden, worauf der Formkörper (17) mit einem Formgehäuse (9) derart umschlossen wird, daß der Strömungskanal (19) und die Rohre (11) nach außen münden, worauf der Raum zwischen dem Formkörper (17) und dem Formgehäuse (9) mit einer aushärtbaren Masse ausgegossen wird, nach deren Erstarren das Formgehäuse (9) entfernt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dichtende Verbindung zwischen den Rohrenden (11) und der Wand des Kopfstücks (10) durch ein Klebemittel unterstützt wird.






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