DE19501276C2 - Rohrbündel für Heizkessel-Wärmetauscher sowie Wärmetauscher mit Rohrbündel und Verfahren zur Herstellung von Rohrbündeln - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Rohrbündeln aus metallischen Rohren für Heizkessel-Wärmetauscher. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Rohre (2) mindestens an einem Ende (3) mehreckig aufgeweitet, danach werden die Rohre (2) gebündelt und jedes Rohr (2) im Rohrbündel (1) wird an seinen Aufweitungskanten (4) mit den anliegenden Aufweitungskanten (4') der Nachbarrohre (2') verschweißt (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft Rohrbündel für Heizkessel-Wärmetauscher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie Wärmetauscher mit entsprechenden Rohrbündeln und ein Verfahren zur Herstellung von Rohrbündeln für Heizkessel-Wärmetauscher.

Bei einem bekannten Verfahren zum Herstellen von Rohrbündeln insbesondere für Wärmetauscher (DE 36 11 108 C1) werden die zu bündelnden Rohre mit Spiel in Bohrungen von Rohrscheiben ein­ gesetzt. Danach werden die Rohre an ihren Enden durch ein Druckmittel hydraulisch aufgeweitet und dadurch an die Rohr­ scheibe angepreßt. Die Rohre werden letztendlich dann im Stirnkantenbereich der jeweiligen Rohrscheibe befestigt, ins­ besondere angeschweißt. Bei dieser Vorgehensweise besteht der gravierende Nachteil, daß zum einen separate Rohrscheiben benötigt werden, zum anderen das Einbringen der Rohre in die Bohrungen der Rohrscheiben sowie die druckdichte Befestigung dieser Rohre zwischen den Rohrscheiben arbeitstechnisch sehr aufwendig ist. Ferner wird bei der Verwendung von Rohrscheiben eine nicht so kompakte Bauweise ermöglicht, wie es wünschens­ wert wäre.

Der DE 28 51 382 A2 ist ein Luftröhrenkühler für wassergekühl­ te Kraftfahrzeug-Verbrennungskraftmaschinen mit an den Enden insbesondere zum Sechskant aufgeweiteten luftdurchströmten Rohren zu entnehmen, wobei die nicht von Wasserkästen oder dergleichen gebildeten Seitenwände durch über die gesamte Rohrlänge gleichen Querschnitt aufweisende Rohre gebildet sind. Die Rohre sind sowohl untereinander als auch mit den angrenzenden Rohren wärmeübertragungsmitteldicht verbunden. Da die Rohre derart aufgeweitet sind, daß sie über die entspre­ chenden Sechskantflächen miteinander verbunden werden können, ist aufgrund der Flächenkontakte der Rohrenden eine ausrei­ chende Wärmeabführung von den die Rohre verbindenden Schweiß­ nähten nicht in ausreichendem Umfang sichergestellt.

Desweiteren ist der in DE PS 574 146 ein aus Einzelrohren beste­ hendes Rohrbündel zu entnehmen, wobei die Einzelrohre an den Enden in ein gemeinsames, unter hohem Druck stehendes Endblech eingeschweißt sind. Hierdurch können die Einzelrohre fast bis zu ihrer Berührung eng aneinander liegen, wodurch ein Kälte­ mittel das Rohrbündel mit hoher Geschwindigkeit durchströmen kann. Der Einsatz eines unter hohem Druck stehenden Endbleches ist jedoch arbeitstechnisch sehr aufwendig und bedingt des­ weiteren eine große Anzahl einzelner Schweißnähte, so daß die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der entsprechenden Wärmetau­ scher begrenzt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rohrbündel zu schaffen, das mit geringem Aufwand wirtschaftlich und materi­ alsparend herstellbar ist und das sich durch eine besonders kompakte und materialsparende Bauweise auszeichnet sowie für den Einsatz in Kessel-Wärmetauschern geeignet ist. Desweiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung entsprechender Rohrbündel bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Aufweitungen der Rohrenden im wesentlichen konisch sind und daß jedes Rohr im Rohrbündel an den Aufweitungskanten der Aufweitungen mit den anliegenden Aufweitungskanten der Nach­ barrohre verschweißt ist, so daß ein Zutritt des Tauschermedi­ ums bis an die Schweißnähte ermöglicht ist.

Erfolgt die Aufweitung im wesentlichen konisch, so ist bei einem Einsatz der Rohrbündel in Wärmetauschern ein Zutritt des Tauschermediums bis an die die Aufweitungskanten miteinander verbindenden Schweißnähte und damit eine ausreichende Wärme­ abfuhr gewährleistet. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Rohrbündel beispielsweise mit heißen Rauchgasen be­ aufschlagt werden, die Temperaturen bis zu 1000°C aufweisen können, und eine effiziente Kühlung der Schweißnähte notwendig ist.

Desweiteren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Ver­ fahren gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Rohre, die zylindrisch sein können, mindestens an einem Ende mehreckig aufgeweitet werden, daß die Rohre danach gebündelt werden und daß jedes Rohr im Rohrbündel an seinen Aufweitungs­ kanten mit den anliegenden Aufweitungskanten der Nachbarrohre zur Anlage gebracht und verschweißt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit geringstmöglichen Arbeitsmitteln und einem sehr geringen Materialaufwand durch­ führen, da keine Rohrscheiben benötigt werden. Darüber hinaus zeichnet sich dieses Verfahren dadurch aus, daß eine wesent­ lich kompaktere Bauweise bei Rohrbündeln, insbesondere Wärme­ tauschern, ermöglicht wird. Diese kompaktere Bauweise ermög­ licht eine gegenüber konventionell hergestellten Wärmetau­ schern höhere Heizfläche auf weniger Raum und bessere Wir­ kungsgrade. Die Aufweitung der Rohre kann dabei in einem Ver­ formungsverfahren, beispielsweise in einem Kaltverformungs­ verfahren erfolgen.

Die Aufweitung der Rohrenden kann derart erfolgen, daß an ihren freien Enden ein Bereich geringer Länge mit im wesentli­ chen gleichbleibendem Durchmesser vorliegt. Über einen der­ artigen Bereich ist durch entsprechende Ablängung der Rohre ein Toleranzausgleich bezüglich der Rohrlängen und deren endseitigen Durchmessern möglich. Die Länge dieses Bereiches kann dabei beispielsweise bei Einsatz der Rohrbün­ del in Wärmetauschern so bemessen sein, daß das zwischen den Rohren befindliche Tauschermedium eine ausreichende Wärme­ abfuhr der an den Aufweitungskanten befindlichen Schweißnäh­ te gewährleistet und eine Verzunderung des Eintrittsberei­ ches der Rohre bzw. eine Korrosion derselben bei höheren Temperaturen oder das Auftreten von thermischen Spannungen so sicher vermieden wird.

Typischerweise ist die Aufweitung gleichseitig und/oder sechseckig, viereckig oder dreieckig.

Es sind jedoch auch Aufweitungen denkbar, die nicht gleich­ seitig und/oder fünfeckig oder mehr als sechseckig sind.

Die Aufweitung erfolgt in der Regel durch ein Druckmittel hydraulisch, es sind jedoch auch andere Aufweitungsverfahren denkbar.

Bei der Verwendung von sechseckig, viereckig oder dreieckig gleichseitig aufgeweiteten Rohren können diese Rohre vor­ zugsweise derart gebündelt werden, daß die mehreckigen Auf­ weitungen die Rohrbündelstirnflächen lückenlos parkettieren. Insbesondere bei gleichseitig sechseckiger Aufweitung ergibt sich dabei dann an den Rohrbündelstirnflächen eine besonders günstige Wabenstruktur.

Bei der Verwendung von anderen mehreckigen Aufweitungen als den eben genannten und auch bei der Verwendung von nicht gleichseitigen Aufweitungen lassen sich die Rohre derart bündeln, daß die mehreckigen Aufweitungen die Rohrbündel­ stirnflächen lückenhaft parkettieren, und daß in die mehr­ eckigen Lücken entsprechende mehreckige Bleche oder Rohre mit entsprechenden mehreckigen Aufweitungen eingeschweißt werden.

Insbesondere bei der Variante von Rohrbündeln, bei der Rohre mit verschiedenen mehreckigen Aufweitungen eingeschweißt werden, können so Rohrbündel auf einfache Art und Weise hergestellt werden, bei denen Rohre mit unterschiedlichen Rohrdurchmessern miteinander kombiniert werden.

Bestehen die Rohre aus Stahl oder aus Edelstahl, so sind die erfindungsgemäß hergestellten Rohrbündel beispielsweise in Wärmetauschern bei vergleichsweise hohen Temperaturen und Drucken einsetzbar. Die Rohre können jedoch auch aus anderen schweißbar miteinander zu verbindenden Metallen bestehen.

Werden die Rohre unter Verwendung von Schweißzusatzwerkstof­ fen untereinander verschweißt, so können aufgrund von Bema­ ßungs- oder Fertigungstoleranzen auftretende Fugen zwischen benachbarten Aufweitungskanten mit dem Schweißzusatzwerk­ stoff aufgefüllt und damit sicher vermieden werden. Dies gilt insbesondere für Punktkontakte an denen mehr als zwei miteinander zu verschweißende Aufweitungskanten aneinander­ grenzen.

Das erfindungsgemäße Rohrbündel, insbesondere der erfin­ dungsgemäße Wärmetauscher, besteht aus zylindrischen metal­ lischen Rohren, wobei diese Rohre dann an ihren Enden meh­ reckig aufgeweitet sind und jedes Rohr im Rohrbündel an seinen Aufweitungskanten mit den anliegenden Aufweitungs­ kanten der Nachbarrohre verschweißt ist. Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers werden dann die Rohrbündel­ stirnfläche(n) mit Sammelbehältern versehen.

Die Rohre können dabei, insbesondere unter Anwendung des oben beschrieben Verfahrens, an ihren Rohrenden im wesentli­ chen konisch aufgeweitet sein und einen Bereich geringer Länge mit gleichbleibendem Durchmesser aufweisen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veran­ schaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Rohrbündelstirnfläche mit sechseckiger Wabenstruktur,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie I-I aus Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2,

Fig. 4 eine Draufsicht auf eine Rohrbündelstirnfläche mit achteckig aufgeweiteten Rohren.

Nach der Zeichnung bestehen die erfindungsgemäßen Rohrbündel 1 aus Rohren 2, 2', die mindestens an einem Ende 3 mehreckig aufgeweitet sind. Die Rohre 2, die in diesem Ausführungsbei­ spiel aus Edelstahl bestehen, sind gebündelt und jedes Rohr 2 ist im Rohrbündel 1 an seinen Aufweitungskanten 4 mit den anliegenden Aufweitungskanten 4' der Nachbarrohre 2' ver­ schweißt.

Die Aufweitungen 5 sind in den gezeigten Ausführungsbeispie­ len zu den Rohrenden 3 hin konisch sich erweiternd. Es sind jedoch auch Aufweitungen denkbar, die nicht konisch sich erweitern, sondern mit einem konstanten Durchmesser eine stabilere Auflagefläche ergeben.

Wie insbesondere aus Fig. 1 zu ersehen ist, ist dort die Aufweitung 5 gleichseitig und sechseckig, so daß sich eine besonders günstige und kompakte Wabenstruktur ergibt. Dabei sind die Rohre 2, 2' derart gebündelt, daß die gleichseiti­ gen sechseckigen Aufweitungen 5 die Rohrbündelstirnfläche 6 lückenlos pakettieren.

Die in Fig. 3 gezeigt Detailansicht verdeutlicht, daß die Rohre lediglich an den Aufweitungskanten aneinanderstoßen. Hierduch wird ein Zutritt des Tauschermediums rückseitig bis an die Schweißnaht ermöglicht und eine optimale Wärmeabfuhr im Eintrittsbereich des zu kühlenden Mediums in den Wärme­ tauscher gewährleistet.

Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Rohre achteckig und nicht gleichseitig aufgeweitet sind. Durch diese achteckige und ungleichseitige Aufweitung 5 sind die Rohre 2, 2 ' in der Art gebündelt, daß die achteckigen Aufweitungen 5 die Rohrbündelstirnfläche 6 lückenhaft pa­ kettieren. In die resultierenden viereckigen Lücken 7 sind entsprechende viereckige Bleche 8 eingeschweißt.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches man als rohrplattenloses Rohrbündelungsverfahren bezeichnen kann, wird ein Produkt von besonders guter Qualität erzeugt. Das Verfahren ermöglicht einen extrem kompakten Bau von Rohrbündeln, insbesondere von Wärmeaustauschern.

Claims (11)

1. Rohrbündel für Heizkessel-Wärmetauscher, bestehend aus metallischen Rohren, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohre (2, 2') an ihren Enden (3) mehreckige und im wesentlichen konische Aufweitungen (5) aufweisen und jedes Rohr (2) im Rohrbündel (1) an den Aufweitungskanten (4) der Aufweitungen (5) mit den anlie­ genden Aufweitungskanten (4') der Nachbarrohre (2') ver­ schweißt ist.

2. Rohrbündel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den freien Enden der aufgeweiteten Rohrenden Bereiche geringer Länge mit gleichbleibendem Durchmesser vorgesehen sind.

3. Rohrbündel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Aufweitung (5) gleichsei­ tig ist.

4. Rohrbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitung der Rohre des Rohrbündels (1) sechseckig oder viereckig oder drei­ eckig ist.

5. Rohrbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufweitung (5) der Rohre des Rohrbündels (1) fünfeckig oder mehr als sechs­ eckig ist.

6. Rohrbündel nach Anspruch 3 und 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rohre (2, 2') derart gebündelt sind, daß die mehreckigen Aufweitungen (5) die Rohrbündelstirnflächen (6) lückenlos parkettieren.

7. Rohrbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (2, 2') derart gebündelt sind, daß die mehreckigen Aufweitungen (5) die Rohrbündelstirnflächen (6) lückenhaft parkettieren, und daß in die mehreckigen Lücken (7) entsprechende mehreckige Bleche (8) oder Rohre mit entsprechenden mehreckigen Auf­ weitungen eingeschweißt sind.

8. Rohrbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre aus Stahl oder Edelstahl bestehen.

9. Rohrbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre unter Einsatz eines Schweißzusatzwerkstoffes verschweißt sind.

10. Wärmetauscher mit Rohrbündeln nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Rohrbündelstirnflächen (6) Sammelbehälter angeord­ net sind.

11. Verfahren zur Herstellung von Rohrbündeln für Heizkessel- Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rohre (2) mindestens an einem Ende (3) mehreckig aufgeweitet werden, daß die Rohre (2) danach gebündelt werden und daß jedes des Rohr (2) im Rohrbündel (1) an seinen Aufweitungskanten 4) mit den anliegenden Aufweitungskanten (4') der Nachbar­ rohre (2') verschweißt wird.