Wärmetauscherrohre und Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherrohren

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Thermodynamik. Sie betrifft Wär- metauscherrohre, umfassend ein durchströmtes Rohr mit einer Anzahl an einer Aussenwand angeordneten Kühlrippen und ein Verfahren zur Herstellung solcher Wärmetauscherrohre.

Technologischer Hintergrund und Stand der Technik

Wärmetauscherrohre werden unter anderem bei luftgekühlten Kondensatoren in Kraftwerken, Kehrichtverbrennungsanlagen, Heizkraftwerken und Industrieanlagen mit Energierück- gewinnung eingesetzt. Solche bekannten, luftgekühlten Kondensatoren -im folgenden auch lediglich Kondensatoren genannt- erfüllen eine ähnliche Funktion wie wassergekühlte Kondensatoren, das heisst, sie verflüssigen den Abdampf einer Dampfturbine, welcher energetisch nicht mehr genutzt werden kann, und führen das entstehende Kondensat in den geschlossenen Wasser-Dampf-Kreislauf zurück. Im Gegensatz zu Kühltürmen wird dem Abdampf bei Kondensatoren die thermische Energie mittels Luftkühlung (Ventilatoren) entzogen. Kondensatoren kommen somit ohne jegliches Kühlwasser aus. Heute besteht eine gesteigerte Nachfrage nach so genannten „trocken kühlenden Kondensatoren" wegen der zunehmenden Wasserknappheit und höheren Anforderungen bzw. behördlichen Auflagen für die Bewilligung von Kraftwerken oder Industrieanlagen. Hier spielen die ökologische Be- trachtung des Wasserverbrauchs und der Erwärmung von fliessenden Gewässern eine wesentliche Rolle.

Bekannt ist, Wärmetauscherrohre für Kondensatoren in einer A-förmigen Konfiguration zu erstellen. Die DE 690 33 556 T2 zeigt derart gefertigte Wärmetauscherrohre und ein Herstellungsverfahren dazu. Dabei gelangen beispielsweise berippte Rundrohre, berippte Oval- röhre oder berippte Flachrohre zum Einsatz. Bei der Berippung von Rohren aus Stahl und beliebiger, aufgezeigter Geometrie werden zunächst die Rohre schraubenförmig genutet und

anschliessend werden flache Aluminiumbleche eingezogen. Eine andere Methode sieht vor, Rohre mit Aluminiumblechen mechanisch schraubenförmig aufzuwickeln.

Insbesondere bei der Berippung von Ovalrohren aus Stahl werden flache, mit Distanzhaltern versehene Stahlrippen aufgesteckt und anschliessend gemeinsam mit dem Ovalrohr aussen- seitig und oberflächig verzinkt und verbunden.

Die heutige Herstellung von berippten Flachrohren erfolgt, indem zuerst ein mit Aluminium plattiertes Flachrohr aus Stahl geformt, geschweisst und an der Schweissnaht mit Aluminium nachbeschichtet wird, nachfolgend eine Rippe aus einer mit Lot plattierten Aluminium- Legierung geformt wird, ein Flussmittel appliziert und die geformte Rippe beidseitig auf das Flachrohr befestigt wird und diese Rippe dann in einem Ofen mit kontrollierter Atmosphäre bei ungefähr 600 ⁰ C auf das Flachrohr hartgelötet wird. Flachrohre geniessen gegenüber berippten Rundrohren oder Ovalrohren den Vorteil, dass sie resistenter sind gegenüber Durchfrierung und einen tieferen luftseitigen Druckverlust aufweisen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt von luftgekühlten Kondensatoren ist die lange Lebensdauer. Die Kondensatoren müssen eine Lebensdauer von mehr als 30 und teilweise sogar mehr als 40 Jahren oder darüber haben. Da derartige Kondensatoren den Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, müssen sie sehr korrosionsbeständig sein. Darüber hinaus sind die Kondensatoren entlang ihrer Innenwandung auch einer Kontamination ausgesetzt, die durch Verunreinigungen des sie durchströmenden Fluids hervorgerufen werden. Diese Verunreinigungen sind dabei bereits bei der Inbetriebnahme vorhanden oder sie entstehen aufgrund von Oxidation bzw. Korrosion im gesamten Wasser-Dampf-Kreislauf eines Kraftwerks.

Die Innenwandung eines Flachrohres für Kondensatoren besteht bekanntermassen aus ungeschütztem Baustahl ohne Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit. Die innere Oberfläche eines luftgekühlten Kondensators ist aber zusammen mit dem Kessel im Wasser-Dampf-

Kreislauf eines Kraftwerks die mit Abstand grösste Fläche, welche dem prozessseitigem Fluid ausgesetzt ist. Dies führt zwangsweise zu einer betriebsbedingt entsprechend hohen Konditionierung der Wasser-Dampf-Chemie u. a. auf einem basischen pH-Wert, um die Wärmetauscherrohre gegen massive Oxidation, Korrosion oder sogar Durchrostung zu schützen.

Vor Inbetriebnahme bedeutet das auch, dass der Kondensator mit einem zeit- und kostenintensiven Verfahren gereinigt und gespült werden muss und das dabei verwendete deionisierte Wasser verworfen werden muss. Ein gleiches Verfahren muss ebenfalls nach Reparaturen und vor einer Wiederinbetriebnahme angewendet werden mit dem gleichen Verwerfen „verbrauchten" Wassers. Betriebliche und ökologische Aspekte rufen hier nach einer Ver- besserung.

Des Weiteren bedarf es während des laufenden Kraftwerksbetriebs einer Ausfiltrierung entstehender Rostpartikel und einer aufwendigen Polisher-Anlage. Bei normalem betrieblichem Stillstand besteht die Gefahr von Lochfrasskorrosion und Durchrostung. Selbst beim Transport zum Installationsort und bei der Montage vom Kondensator bedürfen die ungeschütz- ten Oberflächen der Wärmetauscherrohre einem Schutz mittels Abdeckungen, Schutzgas und/oder Trocknungsgeräten.

Bei der Herstellung von aus mit Aluminium einseitig plattiertem Blech muss nach Umformen und dem Schweissen zum Flachrohr entlang der Schweissnaht mit Aluminium nachbeschichtet werden. Hierfür wird Aluminium typischerweise mittels Flammspritzen als 30mm breiter Streifen aufgebracht. Dieser zusätzliche Produktionsschritt kann zur Folge haben, dass sich in einer durch das Schweissen entstandenen, spröden Eisen-Aluminium-Zwischenschicht Verunreinigungen einstellen oder Materialdefekte auftreten. Die aufgespritzte Aluminiumschicht weist zudem eine Rauhigkeit auf, die beim nachfolgenden Hartverlöten des Rohrs mit Kühlrippen zu Qualitätseinbussen der Lötverbindung führen kann, was wiederum den

Wärmewirkungsgrad der Cesamtanlage beeinträchtigt. Qualitativ eingeschränkte Lötverbindungen können ebenfalls Grund für ein Abplatzen von Kühlrippen sein.

Bekannt ist auch, dass Verbindungen zwischen Aluminium und Eisen vergleichsweise spröde sind und sich somit eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber betriebsbedingten thermi- sehen/mechanischen Spannungen einstellt; dies gilt zudem gegen Schlag- und/oder Torsionsbeaufschlagung bei Transport oder Montage. Es besteht eine geringe Bruchzähigkeit und Duktilität der Eisen-Aluminium-Zwischenschicht verbunden mit einer hohen Defektempfindlichkeit in Bezug auf Poren, Sandstrahlmittel, Oxide und Einschlüssen. Diese tiefe Defekttoleranz der Eisen-Aluminium-Zwischenschicht bedingt einen entsprechend hohen Aufwand bei der Produktion und der Qualitätskontrolle.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist darum die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Wärmetauscherrohre und ein Verfahren zur Herstellung von Wärmetauscherrohren zu schaffen, womit die Nachteile der bekannten Wärmetauscherrohre und der Verfahren zu ihrer Herstellung überwunden werden.

Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Wärmetauscherrohre und ein Verfahren zu ihrer Herstellung zu schaffen, womit eine gegenüber dem Stand der Technik massgeblich verbesserte Defekttoleranz und Korrosionsbeständigkeit der Aussenwandung und der Innenwandung von Wärmetauscherrohren erzielbar ist und zudem eine einfachere und kostengünstigere Herstellung ermöglicht wird.

Die der Erfindung für das Verfahren zugrunde liegende Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen für das Verfahren sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6.

Der Kern der Erfindung ist darin zu sehen, dass ein aus Baustahl bestehendes Rohr eines Wärmetauscherrohrs auf einer Innenwand und auf der Aussenwand mit einer Oberflächenvergütung aus Kupfer, Nickel, Kobalt, Chrom, einer Nickellegierung, einer Chromlegierung, einer Kupferlegierung oder rostfreiem Stahl versehen wird, zwecks direkten Verlötens einer Anzahl Kühlrippen mit dem Rohr und zwecks Korrosionsbeständigkeit der Innenwand gegenüber fluiden Medien.

Als besonders vorteilhaft ist hier herauszustellen, dass durch die Oberflächevergütung - bestehend aus den genannten Materialien- zum einen eine qualitativ hervorragende Löt- barkeit des Rohrs mit den Kühlrippen auf der Aussenwand gegeben ist und gleichzeitig die Korrosionsbeständigkeit der Innenseite des Rohr bei Beaufschlagung mit der Wasser-Dampf- Chemie eines Kraftwerks signifikant erhöht werden kann. Somit kann erstmalig durch einen Beschichtungs- bzw. Plattierungsvorgang ein Rohr für ein Wärmetauscherrohr bereitgestellt werden, dass hinsichtlich der Verarbeitbarkeit und des Verschleisses/der Alterung eine erheblich verbesserte Ausgestaltung gegenüber dem aufgezeigten Stand der Technik zeigt.

Nicht nur bezüglich der Herstellung können Vereinfachungen herausgestellt werden, auch in Bezug auf den laufenden Kraftwerksbetrieb und die zugehörige Inbetriebnahme bzw. Wiederinbetriebnahme nach Stillstand zeigt die Erfindung eine hervorzuhebende ökologische Verträglichkeit gegenüber Bekanntem.

Die Hartlötverbindung zwischen den Kühlrippen und dem Rohr zeigt sich besonders duktil und zäh, so dass betriebsbedingte oder montagebedingte Beanspruchungen dem erfin- dungsgemässen Wärmetauscherrohr unschädlich gegenüberstehen; Standzeiten können somit erhöht werden, Unterhalts- und überwachungsarbeiten minimiert werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, das die Beschichtung bzw. die Plattierung des Rohrs auf der Innenwand und der Aussenwand mit ein und demselben

Material erfolgt, womit nur ein Arbeitsgang nötig ist, um dem Rohr die erfindungswesentli- chen Merkmale zu verschaffen. Mit Vorteil wird ein Rohr aus einem erfindungsgemäss beidseitig beschichteten bzw. plattieren Blech -beispielsweise aus einfachem Baustahl- zu einem Flachrohr geformt und anschliessend direkt entlang der Stossfläche verschweisst. Die dabei entstehende Schweissnaht ist dabei frei von jeglicher Eisen-Aluminium-Zwischenschicht und das Flachrohr ist unmittelbar hartverlötbar mit entsprechend dimensionierten Kühlrippen. Diese Kühlrippen können zwecks gutem Wärmewirkungsgrad aus Aluminium bestehen oder damit beschichtet sein oder aus einer Aluminiumlegierung gefertigt sein; beim Hartverlöten entsteht jedenfalls keine durchgehende Eisen-Aluminium-Zwischenschicht, so dass das Wär- metauscherrohr nach der Erfindung im Wesentlichen weiterhin die Duktilität und Zähigkeit des Rohrbasismaterials aufweist.

Mit Vorteil ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass einer sich beim Hart- lötprozess ausbildenden Zwischenschicht mittels Zugabe von Bor duktilisiert wird.

Die der Erfindung für das Wärmetauscherrohr zugrunde Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 7. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des abhängigen Anspruchs 8.

Da sämtliche Vorteile, die für das Wärmetauscherrohr Gültigkeit haben, bereits ihre Würdigung beim Verfahren zur Herstellung eines solchen erfindungsgemässen Wärmetauscherrohrs erfuhren, wird an dieser Stelle auf eine Wiederholung zugunsten der Textökonomie verzichtet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemässes Wärmetauscherrohr vor einem Hartlötprozess, und die

Fig. 2 die Schnittdarstellung aus Fig. 1 nach dem Hartlötprozess.

Wege zur Ausführung der Erfindung Die Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung des erfindungsgemässen Wärmetauscherrohrs 8 vor einem Lötprozess, der eine Rohrwand 1 mit einer Kühlrippe 2 hartlötend verbindet. Die Rohrwand 1 weisst an einer Innenwand 9 und einer Aussenwand 10 jeweils eine äussere Oberflächenvergütung 4 und eine innere Oberflächenvergütung 5 auf, welche zur Rohrwand 1 hin benachbart angeordnet ist. Die Kühlrippe 2 ist mit einer Rippenbeschichtung 3 verse- hen und weist mit der äusseren Oberflächenvergütung 4 der Rohrwand 1 einen Berührungskontakt auf.

In der Fig. 2 ist das Wärmetauscherrohr 8 nach dem Hartlötprozess gezeigt, wobei zwischen der Kühlrippe 2 und der Rohrwand 1 nun eine feste Verbindung mittels einer Zwischenschicht 6 und Hartlot 7 besteht.

Das Herstellverfahren für die erfindungsgemässen Wärmetauscherrohre 8 sieht die folgenden Schritte vor:

1. Ein Kernband, der Stahlsorte DCOl (EN 10130) beispielsweise, wird beidseitig durch Walzenpressen mit Auflagebändern versehen. Das Kernband stellt später die in den Figuren 1 und 2 gezeigte Rohrwand 1 dar und die Auflagenbänder die äussere und innere Oberflächenvergütung 4, bzw. 5.

2. Das Kernband mit den Auflagenbändern wird minutenlang rekristallisationsgeglüht und das Cefüge wieder in den Ausgangszustand versetzt.

3. Ein anschliessendes Endwalzen versetzt das Kernband mit den Auflagebändern in den gewünschten Endzustand, bevor

4. die drei Bänder in einem Diffusionsglühverfahren metallurgische miteinander verbunden werden. Dabei entsteht unmittelbar zum Kernband hin eine feste und duktile Diffusionsschicht, die in den Fig. 1 und 2 als innere Oberflächenvergütung

5 gezeigt ist.

5. Das vorliegende, plattierte Flachband aus Kernband und Auflagebändern wird zu einem Flachrohr gebogen und mittels Schweissen entlang einer Rohrlängsnaht geschlossen. Diese Schweissnaht wird einer Glättung unterzogen, eine weitere Be- handlung ist nicht notwendig.

6. Für die Fertigung der Kühlrippe 2 steht ein plattiertes Band bereit, bestehend aus einem Kernband einer Aluminiumlegierung, das zumindest einseitig mit einer A- luminiumlotlegierung versehen ist. Das so lotplattierte Kaltband wird in eine dreidimensionale Kühlrippenform kalt umgeformt.

7. Nach einem Bestreichen des Flachrohres und der Kühlrippe mit einem handelsüblichen Aluminium-Flussmittel werden beide durch einen kontinuierlichen Hartlöt- prozess zu einem Wärmetauscherrohr 8 miteinander verbunden, womit eine feste, spalt- und porenfreie Lötverbindung zwischen der Kühlrippe 2 und der Rohrwand 1 entsteht.

Zwischen der Rohrwand 1 und der Kühlrippe 2 besteht nun eine Schicht mit Hartlot 7 und eine Zwischenschicht 6, die auch Reaktionszone genannt wird. Diese Reaktionszone besteht aus einer geordneten Phase und zeichnet sich durch eine gute Festigkeit aus und sehr hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit.

Erfindungsgemäss zeigen sich die hervorragenden Eigenschaften hinsichtlich der Lötbar- keit und der Korrosionsbeständigkeit gegenüber fluiden Medien (in den Fig. nicht dargestellt) im Wärmetauscherrohr 8, wenn das Kernband beidseitig eine Plattierung mittels der Auflagebänder aufweist und wenn diese Auflagebänder aus Kupfer, Nickel, Kobalt, Chrom, einer Nickellegierung, einer Chromlegierung, einer Kupferlegierung, einer Kobaltlegierung oder rostfreiem Stahl bestehen.

Beispielhaft zeigt sich anhand einer Nickellegierung Inconel Alloy 825 (IN 825) für die Auflagebänder die folgende Materialverteilung bei der Herstellung der Wärmetauscherrohre 8. Nach der Diffusionsglühbehandlung des Kernbands mit der beidseitigen plat- tierten Auflagebändern aus Inconel Alloy besteht die Diffusionsschicht - die innere O- berflächenvergütung 5 des Wärmetauscherrohrs 8 - aus einer kristallin ungeordneten Mischstruktur, in welcher sich vor allem die Elemente Eisen, Nickel und Chrom gleich- massig der jeweils plattierten Legierung anpassen. Die äussere Oberflächenvergütungsschicht 4 besteht weiterhin aus Inconel Alloy.

Beim Hartverlöten der Kühlrippe 2 mit der Rohrwand 1 entsteht die Reaktionszone mit einer geordneten Phase aus Al-Ni-Fe-Si-Cr. Diese Reaktionszone Al-Ni-Fe-Si-Cr steht nach dem Hartlöten und während des Betriebs aufgrund der bewusst verschieden gewählten Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Legierungen unter einer leichten Druckspannung, womit sich die mechanische Integrität der gesamten Lötverbindung erhöht.

Ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen zeigen alle weiteren, aufgezeigten Materialien für die Plattierung mittels Auflagebändern entsprechend herauszustellende Eigenschaften hinsichtlich der guten Lötbarkeit zwischen Kühlrippe 2 und Rohrwand 1 und der Korrosionsbeständigkeit auf der Innenseite des Wärmetauscherrohrs 8 zu einem fluiden Medium hin.

Bezugszeichenliste

1 Rohrwand

2 Kühlrippe

3 Rippenbeschichtung

4 äussere Oberflächenvergütung

5 innere Oberflächenvergütung

6 Zwischenschicht

7 Hartlot

8 Wärmetauscherrohr

9 Innenwand 10 Aussenwand