Beschreibung

Header-Stutzen Baugruppe aus gemischtem Material

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung bestehend aus einer Vielzahl stapeiförmig angeordneter Passagen, die geeignet sind, von flüssigen und/oder gasförmigen Medien durchströmt zu werden, wobei die Passagen einen Block bilden, wobei die Vorrichtung Mittel (Header) zur Zu- bzw. Abführung von mindestens zwei Medien in den Block, sowie geeignete Rohrstücke (Stutzen) zur Zu- bzw. Abführung der Medien in die Header aufweist, und eine derart herstellte Vorrichtung. Die Erfindung wird anhand des Beispieles eines hartgelöteten Plattenwärmetauschers aus Aluminium beschrieben, ist aber prinzipiell für jede Vorrichtung mit stapeiförmig angeordneten, durchströmbaren Passagen geeignet, welche Header und Stutzen aufweist. Die Erfindung ist daher nicht auf dieses Beispiel beschränkt.

Hartgelötete Plattenwärmetauscher aus Aluminium werden in zahlreichen Anlagen bei verschiedensten Drücken und Temperaturen eingesetzt. Sie finden beispielsweise Anwendung bei der Zerlegung von Luft oder der Verflüssigung von Erdgas.

Ein derartiger Plattenwärmetauscher wird z.B. in "The Standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturers association" ALPEMA Report (2000) beschrieben. Ein derartiger Plattenwärmetauscher besteht aus einer Vielzahl stapeiförmig angeordneter Passagen. Die Passagen sind durch Trennbleche voneinander getrennt und durch Abschlussbalken an den Kanten abgedichtet. In den Passagen befindet sich ein wellenförmiges Profil (die sogenannten Fins), welches an seinen Umkehrpunkten in Wärmeleitkontakt mit den Trennblechen steht. Die Passagen weisen zusätzliche öffnungen zur Zu- und Abführung der Medien auf. Der Wärmeaustausch zwischen unterschiedlichen Medien erfolgt dabei indirekt zwischen zwei, in benachbarten Passagen fließenden, Medien über die Trennbleche. Der gesamte Wärmetauscherblock wird über Deckbleche gegenüber der Umgebung abgedichtet. Auf dem Wärmetauscherblock sind Mittel zur Zu- und Abführung der

Medien in den Wärmetauscherblock angeordnet. Diese Mittel werden Header genannt und dienen der Verteilung der Medien auf die einzelnen Passagen. Die Zu- bzw. Abführung der Medien zum Plattenwärmetauscher und somit zu den Headern erfolgt

über geeignete Rohrleitungsstücke (Stutzen), welche dicht mit den Headern verbunden sind. Derartige Wärmetauscher sind geeignet zum Wärmeaustausch einer Vielzahl zugeführter Medien.

Nach dem Stand der Technik existieren verschiedene Formen von Headern. Die

Header sind zumeist halbzylinderförmig mit verschiedenen Ausgestaltungen der Enden (z.B. halbkreisförmige Abschlussstücke). Ebenfalls im Stand der Technik bekannt sind Dom-artige Header, die sich komplett über einen Abschnitt des Wärmetauscherblocks wölben. Auf die bekannten Header werden nach dem Stand der Technik die Stutzen in vorher dafür freigelassene öffnungen der oberen Halbschalen eingebracht und fest verschweißt. Bei den Stutzen handelt es sich zumeist um geeignete Rohrstücke. Nach dem Stand der Technik werden derartige Baugruppen ausschließlich durch Schweißkonstruktionen hergestellt (siehe z.B. "The Standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturers association", ALPEMA Report (2000), Kapitel 5.12.2.1).

Bei einem derartigen Verfahren nach dem Stand der Technik werden die Header aus entlang der Vorzugsachse halbierten Rohren, aus halbschalenförmigen Strangpressprofilen oder aus Blechen hergestellt, welche in die gewünschte halbzylindrische bzw. anderweitige Form gebracht werden. Die beiden offenen Enden dieser Header werden durch angeschweißte Formstücke ebenfalls aus Blech oder Strangpressprofil verschlossen. Zum Einbau des Stutzens wird eine entsprechende öffnung in das halbzylindrische Profil des Headers geschnitten, in welche der Stutzen eingeschweißt wird.

Die Herstellung der aus Header und Stutzen bestehenden Baugruppe ist fertigungstechnisch relativ aufwändig, insbesondere durch die Schweißverbindung aus Aluminium zwischen Header und Stutzen. Eine derartige Schweißverbindung ist schwierig, kann nur durch speziell geschultes Personal ausgeführt werden und erfordert eine anschließende zerstörungsfreie Schweißnahtprüfung.

Innerhalb der Anlage, in der der Plattenwärmetauscher arbeitet, wird die Verrohrung häufig aus nichtrostendem Stahl, wie beispielsweise Chrom-Nickel-Stahl, oder Kohlenstoffstahl ausgeführt, um den Anforderungen bezüglich Wirtschaftlichkeit und Druckfestigkeit in den anderen Teilen der Anlage gerecht zu werden. Die genannten

Stahlsorten lassen sich deutlich leichter als Aluminium zu Rohrleitungen verarbeiten und bieten Vorteile bezüglich ihrer Drucksicherheit bei großen, zu transportierenden Strömen innerhalb der Anlage.

Die Plattenwärmetauscher sowie die Header und Stutzen sind jedoch zumeist aus Aluminium gefertigt. Aluminium ermöglicht eine deutlich bessere Wärmeübertragung zwischen den beteiligten Medien als Stahl und kann im Gegensatz zu Stahl auch bei tiefkalten Temperaturen eingesetzt werden. Zusätzlich erlaubt die Fertigung aus Aluminium eine leichtere Bauweise.

In derartigen Fällen müssen also zwei unterschiedliche, nicht direkt verschweißbare Materialien (Aluminium Header/Stutzen des Plattenwärmetauschers und Stahl der Rohrleitung zur Zu- bzw. Abführung der, am Wärmeaustausch beteiligten, Medien in die Anlage) miteinander verbunden werden. Dies kann nach dem Stand der Technik über eine Flanschverbindung oder über ein übergangsstück, einen sogenannten Transition-Joint, erfolgen. In zahlreichen Anwendungsfällen scheidet eine Flanschverbindung aus, da die entsprechenden Anlagenteile in der Regel einisoliert werden müssen und deshalb schlecht oder gar nicht für regelmäßig wiederkehrende Dichtheitsprüfungen zugänglich sind. Nach dem Stand der Technik wird daher ein übergangsstück verwendet.

Derartige übergangsstücke nach dem Stand der Technik bestehen aus den jeweils zu verbindenden Materialien. Die übergangsstücke werden beispielsweise aus Blechtafeln mittels Sprengplattierung hergestellt. Dazu werden die Blechtafeln der unterschiedlichen Materialien (beispielsweise Aluminium und Stahl) übereinander gelegt und mittels einer Sprengplattierung unter hohem Druck miteinander verbunden. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von derartigen übergangsstücken stellt das Reibschweißen von Formteilen aus den zu verbindenden Materialien dar. Aus diesem Verbundmaterial werden die übergangsstücke spanabhebend ausgearbeitet, so dass ein solches übergangsstück an einer Seite aus dem ersten Material (z. B. Aluminium) und an der gegenüberliegenden Seite aus dem zweiten Material (z. B. Chrom-Nickel- Stahl) besteht. Derart können dann die entsprechenden Stutzen des Plattenwärmetauschers einerseits sowie die Rohrleitung andererseits mittels des übergangsstückes durch Schweißverbindungen der jeweils gleichartigen Materialien miteinander verbunden werden, d.h. der Aluminiumstutzen des Plattenwärmetauschers

wird mit dem Aluminiummaterial des übergangsstückes und die Rohrleitung zur Zu- bzw. Abführung wird mit dem Stahlmaterial des übergangsstückes verschweißt.

Eine derartige Herstellung nach dem Stand der Technik (Aluminium-Header, Aluminium-Stutzen, übergangsstück und Stahl-Rohrleitung) hat den Nachteil, dass eine Vielzahl von Schweißnähten zwischen den Bauteilen erforderlich ist, wobei derartige Schweißnähte aufwändig in der Herstellung und Prüfung sind. Ferner ist es aufgrund der Vielzahl der Teile oftmals schwierig, derartige Vorrichtungen kompakt auszuführen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art sowie eine Vorrichtung derart auszugestalten, dass das Herstellungsverfahren vereinfacht wird. Insbesondere soll die Zahl notwendiger und aufwendiger Schweißverbindungen reduziert werden.

Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass Header und Stutzen aus unterschiedlichem Material ausgeführt werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung von Header und Stutzen aus unterschiedlichem Material entfällt die Notwendigkeit eines separaten

übergangsstückes. Der Grundgedanke der Erfindung ist die Einsparung des übergangsstückes und der zu dessen Einbau notwendigen Schweißnähte. Der übergang zwischen den unterschiedlichen Materialien wird nicht über ein zusätzliches Bauteil geschaffen sondern in ein existierendes Bauteil integriert. Die unterschiedlichen Schweißverbindungen mit dem übergangsstück sind somit erfindungsgemäß unnötig. Zusätzlich wird durch den erfindungsgemäßen Materialübergang in der Header-Stutzen Kombination und den dadurch bedingten Wegfall des übergangsstückes eine kompaktere Bauweise ermöglicht.

Unter unterschiedlichen Materialien werden im Rahmen dieser Erfindung unterschiedliche nicht mit einer konventionellen Schmelzschweißverbindung verbindbare Materialien verstanden. Zwei unterschiedlich legierte Stähle gelten daher im Rahmen der Erfindung nicht als unterschiedliches Material. Zwei unterschiedliche Materialien im Sinne der Erfindung sind eine Stahl- und eine Aluminiumlegierung, d.h.

es werden Legierungen unterschiedlicher Metalle verwendet und nicht unterschiedliche Legierungen eines Metalls.

Besonders bevorzugt werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Plattenwärmetauscher aus Aluminium hergestellt, welche aus einer Vielzahl stapeiförmig angeordneter Passagen bestehen, die geeignet sind, von flüssigen und/oder gasförmigen Medien durchströmt zu werden, wobei die Passagen einen Wärmetauscherblock bilden, und die Plattenwärmetauscher Header zur Zu- bzw. Abführung von mindestens zwei Medien sowie Stutzen zur Zu- bzw. Abführung der Medien in die Header aufweisen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bilden Header und Stutzen ein Bauteil ohne Schmelzschweißverbindung, wobei Headerrohling und Stutzenrohling durch ein geeignetes Verfahren ohne Schmelzschweißverbindung miteinander verbunden werden und die gesamte Baugruppe aus Header und Stutzen als ein Teil aus den verbundenen Rohlingen spanabhebend hergestellt wird. In dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden Header- und Stutzenrohling ähnlich wie ein übergangsstück nach dem Stand der Technik beispielsweise aus reibgeschweißten Formteilen miteinander verbunden. Aus dem entstandenen verbunden Materialrohling wird spanabhebend eine aus Header und Stutzen bestehende Baugruppe gefertigt. In dieser Ausgestaltung der Erfindung entfallen nicht nur die Schweißverbindungen zwischen übergangsstück und Stutzen sondern auch die Schweißverbindung zwischen Stutzen und Header. Mittels spanabhebender Verfahren lässt sich jede gewünschte Header-Stutzen Geometrie als komplette Baugruppe ohne speziell geschultes Schweißpersonal fertigen. Die aufwendige zerstörungsfreie Prüfung der Schweißverbindungen entfällt mit den Schweißverbindungen ebenfalls.

Besonders bevorzugt wird der Headerrohling als Strangpressprofil, insbesondere Aluminiumstrangpressprofil, hergestellt und mit dem als Strangpressprofil, insbesondere Stahlstrangpressprofil, hergestellten Stutzenrohling verbunden. Als zweckmäßig erweist sich die Herstellung der einteiligen Baugruppe aus Header und Stutzen durch Fräsen aus den verbundenen Rohlingen. Fräsen stellt eine im Stand der Technik etablierte Methode dar, um in einfacher Weise aus einem Rohling, wie dem verbundenen Header- und Stutzenrohling, eine gewünschte Baugruppe in einer vorgegebenen Form herauszuarbeiten.

Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe durch einen Plattenwärmetauscher der eingangs erwähnten Art gelöst, bei dem Header und Stutzen aus unterschiedlichem Material bestehen und ein Bauteil bilden, ohne eine Schmelzschweißverbindung aufzuweisen.

Vorteilhafterweise wird die erfindungsgemäße Vorrichtung als Plattenwärmetauscher verwendet.

Mit der vorliegenden Erfindung gelingt es insbesondere die Anzahl der notwendigen Schweißverbindungen bei der Herstellung eines Plattenwärmetauschers und bei der Verbindung des Plattenwärmetauschers mit der Anlage deutlich gegenüber dem Stand der Technik zu reduzieren. Das Herstellungsverfahren wird somit vereinfacht.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Es zeigt

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß hergestellten Header-

Stutzen Baugruppe

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß hergestellten Header- Stutzen-Baugruppe im Schnitt. Ein Strangpressprofil aus Aluminium wird mit einem Strangpressprofil aus Edelstahl verbunden. Aus den derart verbundenen Header- und Stutzenrohlingen wird eine Baugruppe gefräst, die aus einem Header 1 aus Aluminium und einem Stutzen 2 aus Chrom-Nickel-Stahl besteht. Header 1 und Stutzen 2 sind ohne konventionelle Schmelzschweißverbindung mit einander verbunden. Die beiden Strangpressprofile der unterschiedlichen Materialien wurden beispielsweise mittels Reibschweißen miteinander verbunden. An den aus Chrom-Nickel-Stahl bestehenden Stutzen lässt sich problemlos eine Chrom-Nickel-Stahlleitung aus der Anlage anschweißen.