Verfahren zum Herstellen von Wärmetauscherrohren

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherrohren aus Stahl mit durch Rippen vergrößet Außenoberfläche.

[0002] Es ist bekannt, auf ein Stahlrohr ein schmales, streifenförmiges Blech in der Weise schraubenlinienförmig aufzuwickeln, daß es mit einer seiner beiden Schmalseiten in radialer Richtung auf der Rohroberfläche steht. Bei diesem Wickelvorgang wird der Blechstreifen in der Regel einer starken plastischen Verformung unterzogen, wobei die in der Nähe der Rohroberfläche liegende Zone (Rippenfuß) gestaucht und die außenliegende Zone (Rippenkopf) gestreckt wird. Der so eingeformte Blechstreifen wird kontinuierlich mittels hoch-frequenten elektrischen Stromes (z.B. 500 kHz) mit dem Rohr verschweißt. Der bei diesem Verfahren benötigte Blechstreifen (in der Regel Dünnblech von 0,8 - 2,5 mm Dicke) wird als Spalthand durch Langsteilung eines um ein Vielfaches breiteren gewalzten Blechcolls (Mastercoil) erzeugt und in Form von spiralförmig gewickelten Rollen auf der Rippenrohrschweißmaschine eingesetzt.

[0003] Dieses im Prinzip gut bewährte Verfahren hat jedoch Grenzen und Nachteile, die mit der Verwendung des Spaltbandes für die Rippenrohre (Fintubes) zusammenhängen. So kommt es beispielsweise immer wieder vor, daß das Spaltband während der Verarbeitung durchreißt und Betriebsunterbrechungen auslöst. Die Ursache hierfür sind vielfach Lunker im Ausgangsmaterial, die zwar bei der Blechherstellung ausgewalzt werden, ohne daß dabei aber die Innenoberflächen dieser Fehlstellen untereinander verschweißen können. Unter der starken mechanischen Beanspruchung des Einformvorgangs und durch den zusätzlichen Einfluß des Schweißvorgangs (Durchbrennen von Fehlerstellen) führen derartige Materialfehler zum Bruch des Blechstreifens.

[0004] Ein weiterer Nachteil ist, daß die einzelnen Rollen des Spaltbandes immer nur die sehr begrenzte Länge des Mastercoils aufweisen können. Erwünscht ist aber ein möglichst langes Band, damit der Produktionsbetrieb ohne Unterbrechung vor sich gehen kann. L4n dies annähernd zu erreichen, ist es bekannt, während der laufenden Produktion eine zu Ende gehende Rolle des Bandmaterials gegen eine neue auszuwechseln, deren Anfang mit dem Ende der ersten Rolle durch Stumpfschweißung miteinander verbunden wird. Dies erfordert außer dem maschinellen Aufwand für einen Bandakkumulator auch bedeutenden personellen Aufwand für das Stumpfschweißen. Darüberhinaus hat diese Vorgehensweise den Nachteil, daß damit neue Fehlerquellen für den Bandbruch entstehen, weil die Stumpfschweißstellen gravierende Schwachstellen darstellen, deren Häufigkeit das Vorhandensein von Lunkern erheblich übertrifft.

[0005] Zur Vermeidung eines Bandakkumulators ist es bekannt, einzelne Spaltbandcoils aneinanderzuschweißen und zu großen Spaltbandrollen aufzuwickeln, die dann zur Rippenrohrherstellung eingesetzt werden. Dieses Vorgehen erfordert nicht nur den Arbeitsaufwand für das Schweißen und Wickeln, sondern bringt auch den Nachteil zusätzlicher Fehlerquellen (Stumpfschweißnähte) mit sich.

[0006] Darüberhinaus bedeutet die Verwendung von Spaltband als Rippenmaterial Einschränkungen bei der Auslegung der Rippenhöhe in Abhängigkeit von der Dicke. Aus Gründen der Zerteiltechnik muß die Breite des Spaltbandes (d.h. die Rippenhöhe) mindestens das 8-fache und sollte besser noch das 10-fache der Banddicke (d.h. der Rippendicke) betragen. Spaltband unter diesen Werten ist praktisch (zumindest nicht wirtschaftlich) herstellbar.

[0007] Weiterhin ist festzustellen, daß die häufig extremen Verformungen des Bandmaterials bei der Rippenrohrherstellung zu starken Abweichungen von der geometrischen Sollform führen. Insbesondere bei Wärmetauscherrohren mit hohen, dünnen Rippen und verhältnismäßig kleinem Rohrdurchmesser ergeben sich im Bereich des Rippenfußes wellige Oberflächen, die unter Umständen die zulässigen Toleranzen überschreiten und Ausschuß bedeuten. Diese Wellenbildung ist umso stärker ausgeprägt, je härter das verwendete Material ist. Hinzu kommt gelegentlich ein starkes Zerkratzen der Rippenoberfläche durch die auf der Schweißmaschine eingesetzten Formwerkzeuge.

[0008] Beide Erscheinungen können sich im bestimmungsgemäßen Einsatz der Wärmetauscherrohre als nachteilig erweisen, da sie z.B. Ansatzstellen bieten für das unerwünschte Haftenbleiben von Ruß- und Staubpartikeln aus den Verbrennungsgasen.

[0009] Schließlich ist noch darauf hinzuweisen, daß eine fehlerhafte Wärmebehandlung des Mastercoils gelegentlich zu großen Problemen führt, wenn eine zu große Härte keine ordnungsgemäße Bandeinformung mehr zuläßt.

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das diese Nachteile beseitigt oder zumindest wesentlich mildert. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und ihre Anwendung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0011] Die Erfindung basiert auf zwei wesentlichen Gedanken. Zum einen sieht sie die Verwendung eines Materials für die Rippen vor, das auf andere Weise als das bisher verwendete hergestellt wird: Es handelt sich um ein Kleinprofil, das als Profildraht oder kaltgewalztes Kleinprofil erzeugt wurde. Es wird also kein Spaltband eingesetzt.

[0012] Zum anderen besteht die erfindungsgemäße Lösung in einer andersgearteten Querschnittsform des Ausgangsmaterials der Rippen. Der Querschnitt ist nicht mehr rechteckig, sondern in etwa als flaches Trapez ausgebildet, wobei die Profildicke vom Fuß der Rippe nach oben hin kontinuierlich abnimmt.

[0013] Anhand der Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Wärmetauscherrohr mit schraubenlinienförmig aufgeschweißten ebenen Rippen (Plane Fins),

Figur 2 einen Querschnitt durch eine herkömmliche rechteckige Rippe

Figur 3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße trapezförmige Rippe,

Figur 4 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Rippe in abgewandelter Form.

[0014] Aus Figur 1 ist ersichtlich, wie ein bandförmiges Blech schraubenlinienförmig um ein Rohr 1 gewickelt und mit einer seiner beiden Schmalseiten als Wärmetauscherrippen 2, 3, 4, die etwa senkrecht von der Rohroberfläche abstehen, mit dem Rohr verschweißt ist. Die herkömmliche rechteckige Querschnittsform einer Rippe 2 ist in Figur 2 dargestellt. Erfindungsgemäße Rippenformen werden in den Figuren 3 und 4 wiedergegeben. Die Rippen 3 und 4 weisen in der Grundform einen etwa trapezförmigen Querschnitt auf, wobei die Längskanten (Seiten- flächen der Rippen 3, 4) in einem Winkel von 2 - 10 , vorzugsweise o 3 - 5 zueinander geneigt sind. Die jeweils breitere Schmalseite der Rippen 3, 4 ist mit dem Rohr 1 verschweißt. Während die Kopfseite der Rippe 4 vollständig gerundet ausgeführt ist, weist die Rippe 3 an der Kopfseite eine gerade und im Übergangsbereich zu den Seitenflächen hin eine mit Eckradien gerundete Form auf.

[0015] Aufgrund der abgeplatteten Querschnittsform ergeben sich hinsichtlich der Einformung des Ausgangsmaterials der Rippen in eine Schraubenlinienform bedeutende Vorteile, weil die neutrale Faser bei der Verformung wesentlich näher am Rippenfuß liegt als bei einer rechteckigen Querschnittsform. Die dadurch erleichterte Verformbarkeit des Materials (Vergrößerung der Zugzone) ermöglicht bei gleichem Rohrdurchmesser die Realisierung größerer Rippenhöhen, ohne daß es beim Wickeln zum Bandbruch kommt. Da andererseits die Zone am Rippenfuß, in der das Material bei der Einformung gestaucht wird, kleiner ist, wird die unerwünschte Wellenbildung am Rippenfuß, die das Anhaften von Verbrennungsresten begünstigt, vermieden.

[0016] In dieser Hinsicht ist es auch vorteilhaft, daß die Seitenflächen der Rippen durch die Einformwerkzeuge kaum noch zerkratzt werden. Beschränkungen bezüglich einer Mindesthöhe bei gegebener Dicke der Rippe bestehen überhaupt nicht mehr; das Verhältnis beider Größen kann sogar 1:1 betragen (Rillenrohre).

[0017] Infolge der andersgearteten Herstellung des Rippenmaterials kommen Bandbrüche wegen Materialfehler (Blechdopplungen, Wärmebehandlungsfehler) praktisch nicht mehr vor. Bei der Erzeugung des Bandmaterials führen derartige Fehler aufgrund der extremen mechanischen Beanspruchung bereits zu Störungen (Brüchen), die eine Weitergabe fehlerhaften Materials in die Rippenrohrfertigung praktisch ausschließen. Darüberhinaus kann das erfindungsgemäße Rippenmaterial in etwa achtbis zehnmal höheren Coilgewichten zur Verfügung gestellt werden, so daß der bei Spaltbandmaterial erforderliche Aufwand für das Aneinanderschweißen kürzerer Coils entsprechend entfällt.

[0018] Ein weiterer Vorteil hinsichtlich der nutzbaren Coillänge ergibt sich aus der bereits erwähnten, näher am Rippenfuß befindlichen Lage der neutralen Faser des Trapezprofils. Da die neutrale Faser auf einem kleineren Durchmesser als bei einem Rechteckprofil liegt, können mit gleicher Coillänge entsprechend dem Unterschied dieser Durchmesser mehr Rippenwindungen erzeugt werden als bei dem herkömmlichen Profil, welches zu stärkeren Stauchungen im Bereich des Rippenfußes führt. Die im Vergleich zum Spaltband deutlich engeren Fertigungstoleranzen des Kleinprofils für die Rippen ermöglicht eine wesentlich genauere und länger gleichbleibende Einstellung des Verformungsteils der Rippenrohrschweißmaschine. Für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist es noch wesentlich, daß die Schweißgeschwindigkeit gegenüber konventionellen Rippen mit gleicher Rippenfußdicke merklich gesteigert werden kann.

[0019] Hinsichtlich der wärmetechnischen Eigenschaften ist festzustellen, daß die Wärmeübertragungsleistung bei gleicher Rippenfußdicke praktisch gleich der von Wärmetauscherrohren mit konventionellen Rippen ist. Eventuelle Minderleistungen bei bestimmten Abmessungen können bei der Auslegung durch geringfügige Erhöhung der Rippenzahl pro lfd. Meter leicht kompensiert werden. Auf jeden Fall ergibt sich aber gegenüber herkömmlichen Rohren wegen der abgeflachten Rippenquerschnittsform (geringeres Volumen der Rippen 1m Vergleich zur Rechteckform) und darüber hinaus wegen der stärkeren Streckung und geringeren Stauchung des Rippenmaterials eine ganz erhebliche Einsparung an Gewicht. Dies ist für den Bau von warmetauschern ein bedeutsamer Vorteil, da die Anforderungen an die Stützung der Wärmetauscherrohre im Wärmetauscher geringer sind. Da auf der anderen Seite durch diese Formgebung der freie Querschnitt zwischen den Rippen vergrößert wird, kann bei gleicher Rohrlänge die Rippenzahl erhöht werden, ohne daß der Druckverlust für das Heizmedium ansteigt.

[0020] Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in besonderer Weise für die Rippenrohrherstellung im kleinen Durchmesserbereich (19 - 63 mm Rohrdurchmesser). In bevorzugter Ausführung wird die Höhe der Rippen auf 20 mm, insbesondere auf 16 mm beschränkt, wobei die Rippendicke am Kopf etwa 0,5 - 1,0 mm und am Fuß etwa 1,3 - 2,5 mm betragen sollte.

[0021] Beispiel:

Ein Wärmetauscherrohr von 25 mm Außendurchmesser wurde nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer 16 mm hohen, am Rippenfuß 2 mm und am Rippenkopf 0,7 mm dicken Berippung versehen. Die Einformung des als Rippenmaterial verwendeten Profildrahtes und dessen Verschweißung mit dem Rohr erfolgten problemlos. Die Verschweißung wurde mit einer Frequenz von 0,5 MHz durchgeführt. Am Rippenfuß trat keine Wellenbildung auf. Ein solches Rohr wäre in herkömmlicher Verfahrensweise nicht in den erforderlichen Toleranzen wirtschaftlich herstellbar gewesen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherrohren aus Stahl mit durch Rippen vergrößerter Außenoberfläche, bei dem um ein vorgefertigtes zylindrisches Rohr ein im wesentlichen flaches st reifenförrmiges Blech mit seiner Schmalseite auf dem Rohr stehend schraubenlinienförmig aufgewickelt und mittel. hochfrequenten elektrischen Stromes mit dem Rohr continuierlich verschweißt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß als streifenförmiges Blech ein durch Kaltumformung ohne einen Schneidvorgang hergestelltes Kleinprofil verwendet wird, dessen Querschnitt im wesentlichen in der Weise trapezförmig ausgebildet ist, daß die Seitenflächen der Rippen in einem Winkel von 2 - 10° zueinander geneigt sind,
und daß die Verschweißung des Bleches mit dem Rohr an der breiteren Schmalseite des Bleches erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Blech ein Kleinprofil mit einem Neigungswinkel von 3 - 5 verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Blech ein Kleinprofil verwendet wird, bei dem das Dickenverhältnis der dickeren zu der dünneren Schmalseite zwischen 1,5 und 4,0 liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Blech ein Kleinprofil verwendet wird, bei dem die dünnere Schmalseite insgesamt gerundet oder mit gerundeten Übergängen zu den breiten Seitenflächen und die dickere Schmalseite weitgehend eben und mit scharfkantigen oder möglichst Inem Radius gerundeten Übergängen zu den breiten Seitenflächen ausgefurt sind sind.

5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Anspruche 1 - 4 zur Herstellung von Wärmetauscherrohren, bei denen das Verhältnis der Rippenhöhe zur mittleren Rippendicke kleiner als 8, insbesondere kleiner als 6 ist.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 4 zur Herstellung von Wärmetauscherrohren, bei denen das Verhältnis der Rippenhöhe zum Außendurchmesser des glatten Rohres größer als 0,5 ist.