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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach
dem Oberbegriff der Patentansprüche
1 und 2 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung und einen Wärmetauscherelementvorformling.
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Gattungsgemäße Wärmetauscher
aus zumindest zwei Wärmetauscherelementen
sind bekannt, bei welchen Oberblech und Unterblech derselben durch
eine Vielzahl von über
die Plattenfläche verteilten
Verbindungsstellen miteinander verbunden sind, und zumindest eines
der beiden Bleche unter Ausbildung von fluiddurchströmbaren Zwischenräumen zwischen
den beiden Platten aufgeweitet ist. Die einzelnen Wärmetauscherelemente
sind zumeist aus mehreckigen Platten, gefertigt, die stirnseitig
miteinander verbunden sind. Ober- und Unterblech sind exakt deckungsgleich
angeordnet, wobei diese zumeist durch Laserschneiden aus einem größeren Blechstück herausgearbeitet
werden, bei welchem Ober- und Unterblech bereits dauerhaft durch
geschweißte Verbindungsstellen
verbunden sind. Ober- und Unterblech sind ferner entlang sämtlicher
Außenkanten durch
linienförmige,
fluiddichte Schweißverbindungen
miteinander verbunden, um nach Aufweitung der Bleche mittels eines
Fluiddruck (z.B. Wasser) Wärmetauscherelemente
auszubilden. Zur fluiden Verbindung der einzelnen Elemente wird
jeweils beabstandet von den Außenkanten
z.B. ein Teilbereich des Oberbleches herausgeschnitten, ohne das
Unterblech zu beschädigen,
und an dem Ausschnitt ein Stutzen befestigt, so dass die Stutzen
benachbarter Tauscherelemente dann durch Rohrstücke fluidführend verbunden werden. Derartige
Rohrübergänge sind
zumeist an zwei oder mehr Stellen eines Tauscherelementüberganges
anzuordnen, um Druckverluste zu verringern. Ist ein Wärmetauscher
aus einer Mehrzahl von Wärmetauscherelementen
hergestellt, wird eine entsprechend hohe Anzahl von Stutzen und Verbindungsrohrstücken notwendig.
Die Wärmetauscherelemente
selber können
hierbei im Wesentlichen eben aber auch in Form von Rohrabschnitten oder
Teilen derselben hergestellt werden.
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Die
DE 44 32 340 C1 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung eines Verdampfers für ein Kompressorkühlgerät, bei welchem
in einem Verfahrensschritt zur Bildung eines zwischen Metallblechen
meanderförmig
verlaufenden Kühlmittelkanals
gleichmäßige Querschnittsteilbereiche
der miteinander verbundenen Metallbleche durch Innendruck zu Kanälen ausgeformt
werden.
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Die
DE 34 02 572 A1 betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von plattenförmigen Wärmetauschern, die aus wenigstens
zwei festen miteinander verbundenen Wärmetauschern bestehen, wobei
die beiden miteinander zu verbindenden Platten in einem dem gewünschten
Durchflussquerschnitt des Mediums entsprechenden Abstand voneinander
angeordnet werden und in den Bereichen, in denen die beiden Platten
miteinander verbunden werden sollen, Sprengladungen angeordnet und
gezündet
werden.
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Die
DE 26 04 879 A1 betrifft
ein Verfahren zum Herstellen von Kühl- bzw. Heizkörpern aus
zwei ebenen, dünnwandigen
Platten, die aufeinandergelegt an einer Vielzahl von vorbestimmten
Stellen miteinander fest verbunden werden, wobei die Platten durch
ein zwischen dieses eintretendes strömendes Medium ausgewölbt werden.
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Die
DE 11 30 833 B trifft
einen Wärmetauscher,
der aus einem ebenen Blech und einem mit Auspressungen versehenen
Blech besteht, welches mit dem ersten Blech verlötet ist.
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Die
FR 26 52 016 A1 beschreibt
einen Wärmetauscher,
bei welchem ein Grundblech mit einem mit Auswölbungen versehenen Blech verbunden
ist.
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Die
US 4,700,445 A beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherpaneels, bei welchem
zwei miteinander verschweißte
deformierbare Metallplatten durch Eintritt eines unter hohem Druck
stehenden Mediums aufgeweitet werden.
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Obwohl
sich gattungsgemäße Wärmetauscher
vielfach bewährt
haben, ist der konstruktive Aufwand sehr hoch, insbesondere dann,
wenn eine komplizierte Formgebung erforderlich ist. So ist es insbesondere
im Anlagenbau oftmals erforderlich, komplizierte Rohrleitungssysteme
mit einer Vielzahl von Rohrbögen
als Wärmetauscher
auszubilden, um die Rohrleitungen zu temperieren. Da die Wärmetauscherelemente
aufgrund der komplizierten Formgestaltung derartiger Rohrleitungssysteme
stets nur jeweils vergleichsweise kurze Abschnitte darstellen können, ist
eine große
Anzahl fluidführender Übergänge zwischen
den Elementen notwendig, um einen durchgehenden Strömungsweg
bereitstellen zu können.
Mit der Vielzahl an Übergangsstücken steigt andererseits
aber auch die Wahrscheinlichkeit von Fertigungsfehlern, so dass
auch eine sehr aufwändige
Qualitätssicherung
notwendig wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Wärmetauscher
derart weiterzubilden, dass der Fertigungsaufwand verringert und zugleich
Druckverluste beim Übergang
zwischen den einzelnen Wärmetauscherelementen
verringert werden. Zugleich soll nach Möglichkeit eine möglichst gleichmäßige Durchströmung der
Wärmetauscherelemente
mit dem jeweiligen Fluid ermöglicht
werden.
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Die
Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Wärmetauschers nach Anspruch
1 oder nach Anspruch 12 gelöst,
der nach einem Verfahren nach Anspruch 17 herstellbar ist. Zugleich
werden Wärmetauscherelementvorformlinge
nach Anspruch 15 bereitgestellt, mittels derer erfindungsgemäße Wärmetauscher
besonders einfach herstellbar sind.
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Der
Begriff „Unterblech" bzw. „Oberblech" im Sinne der Erfindung
dient hierbei im Wesentlichen der begrifflichen Unterscheidung der
beiden Bleche. An dem Wärmetauscher
ist das Oberblech zumeist an der Außenseite des jeweiligen Wärmetauschers angeordnet,
das Unterblech an der innen liegenden Seite, die dem durch den Wärmetauscher
zu temperierenden Medium zugewandt ist. Diese Anordnung ist jedoch
nicht zwingend.
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Durch
den erfindungsgemäßen Wärmetauscher
wird somit ein fluiddurchströmbarer Übergang zwischen
den beiden jeweils benachbarten Wärmetauscherelementen bereitgestellt,
der sich abschnittsweise, beispielsweise über mehr als 25% oder mehr
als 50–75%
der Länge
des Verbindungsbleches oder der gemeinsamen Außenkante erstrecken kann, vorzugsweise
zumindest annähernd über die
gesamte Länge
desselben. Auf die Anbringung separater Übergangsrohrstücke zwischen
benachbarten WT-Elementen (Wärmetauscherelementen) kann
somit vollständig
verzichtet werden. Ferner werden Druckverluste bei dem Übergang
zwischen benachbarten Wärmetauscherelementen
so praktisch vollständig
vermieden. Hierzu können
WT-Elementvorformlinge eingesetzt werden, bei welchen das Oberblech
zumindest oder an genau einer Außenkante von dem Unterblech
nach innen zurückversetzt
ist. Vorzugsweise werden die WT-Elemente wie bisher bekannt aus
größeren Doppelblechen
herausgeschnitten, insbesondere mittels Laserstrahlschneiden, bei
welchen Ober- und Unterblech bereits durch eine Vielzahl von vorzugsweise
gleichmäßig über die Plattenfläche verteilten
Verbindungsstellen miteinander dauerhaft verbunden sind. Die Verbindungsstellen
können
durch Laserschweißen,
Widerstandsschweißen
oder dergleichen erzeugt sein, insbesondere in Form von Schweißkreisen,
die beispielsweise einen Durchmesser von 1–5 cm aufweisen können, ohne
hierauf beschränkt
zu sein. Anschließend
kann das Oberblech streifenförmig
im Bereich einer Außenkante
entfernt werden. Es versteht sich, dass gegebenenfalls auch zunächst Ober-
und Unterblech maßgenau
herge stellt und anschließend
die Vielzahl von Verbindungsstellen erzeugt wird. Anschließend werden
die Randbereiche von Ober- und
Unterblech, die zumindest im Wesentlichen oder exakt deckungsgleich
sind, durch linienförmige
fluiddichte Schweißverbindungen
verbunden (nicht jedoch der zurückversetzte
Randbereich), wobei nur eine aber auch zwei oder mehr parallele
und geringfügig
beabstandete Schweißlinien
vorgesehen sein können.
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Die
Unterbleche der WT-Elemente, insbesondere der WT-Elementvorformlinge,
können
unmittelbar schweißend
miteinander verbunden werden, vorzugsweise durch Verschweißung der
Stirnseiten, die gegebenenfalls aneinander stoßen können. Vorzugsweise erfolgt
hier eine Wurzelschweißung.
Vorzugsweise sind die beiden Unterbleche lediglich an ihren Stirnseiten
durch eine Schweißverbindung
miteinander verbunden. Aufgrund der nach innen zurückversetzten
Außenkanten
der Oberbleche kann die Verschweißung der Unterbleche von der
den Oberblechen zugewandten Seite der WT-Elemente her erfolgen.
Hierdurch können
beispielsweise rohrförmige
WT-Elemente durch übliche
Rohrschweißungen
miteinander fluiddicht verbunden werden. Nachfolgend hierzu kann
ein Verbindungsblech mit den beiden gegenüberliegenden Randbereichen
der beiden Oberblech dauerhaft und fluiddicht verbunden werden,
vorzugsweise durch Schweißen.
Anschließend
kann durch einen geeigneten Fluiddruck eines zwischen Ober- und
Unterblech eingebrachten Fluids zumindest eines oder auch beide
der genannten Bleche, d.h. Ober- und/oder Unterblech und/oder das Verbindungsblech,
an den jeweiligen WT-Elementen unter Ausbildung eines fluiddurchströmbaren Zwischenraumes
aufgeweitet werden. Diese Aufweitung erfolgt auch im Bereich des
Verbindungsbleches, so dass hier ein fluiddurchströmbarer Übergangsbereich
ausgebildet wird, der dann, wenn die Oberbleche im Verbindungsbereich
nicht mit den Unterblechen gehaftet sind, sich über die gesamte Längserstreckung
des Verbindungsbereichs bzw. des Verbindungsbleches erstrecken kann.
Das Verbindungsblech wird hierbei vorzugsweise gleichmäßig radial aufgeweitet.
Gegebenenfalls kann das Oberblech auf Höhe oder benachbart dem Verbin dungsblech
auch mit dem Unterblech gehaftet sein, beispielsweise durch die
ansonsten vorgesehenen Verbindungsstellen wie z.B. den Schweißkreisen,
die jedoch allgemein nicht auf Punkt- oder kreisförmige Haftungen beschränkt sind
und gegebenenfalls auch linienförmig
oder anders ausgebildet sein können.
Insgesamt kann sich somit der fluiddurchströmbare Übergang zwischen benachbarten
WT-Elementen über
zumindest nahezu die gesamte Länge
der jeweiligen Außenkante
des Elementes erstrecken bzw. im Falle von Rohrabschnitten über zumindest
annähernd
den gesamten Rohrumfang.
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Insbesondere
zumindest im Wesentlichen ebene WT-Elemente können an mehr als einer oder mehr
als zwei Außenkanten
mit benachbarten WT-Elementen verbunden sein, so dass das Oberblech
an einer, zwei oder mehr Außenkanten
von dem Unterblech nach innen zurückversetzt angeordnet sein
kann. Die Verbindungsbereiche sind dann jeweils mit entsprechenden
Verbindungsblechen zu versehen. Insbesondere bei ebenen WT-Elementen können auch
die Randbereiche von Ober- und Unterblech nur bereichsweise linienförmig und
fluiddicht miteinander verbunden sein, wobei in dem nicht-verbundenen
Bereich das Oberblech zurückspringend angeordnet
sein kann, beispielsweise um mittels eines Verbindungsbleches einen
Fluidübergang
zu einem benachbarten WT-Element zu erzeugen.
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Das
Verbindungsblech ist jeweils vorzugsweise überlappend mit den beiden benachbarten Oberblechen
angeordnet. Die linienförmigen Schweißverbindungen
können
unter Zuhilfenahme eines Schweißzusatzwerkstoffes
oder schweißzusatzwerkstofffrei
ausgeführt
werden, beispielsweise durch Laserschweißen, Widerstandsschweißen oder dergleichen.
Bei geeigneten Anwendungsfällen
können
Ober- und Unterblech auch auf andere Weise miteinander und/oder
mit dem Verbindungsblech verbunden sein, beispielsweise durch Löten oder
dergleichen. Die jeweiligen Bleche bestehen vorzugsweise aus metallischen
Werkstoffen, insbesondere Edelstahl, die Erfindung ist jedoch nicht
auf diese Werkstoffe beschränkt,
je nach Anwendungsfall können
auch beispielsweise geeignete Kunststoffe, insbesondere thermoplastische
Kunststoffe, eingesetzt werden.
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Ober-
und Unterblech sowie auch das Verbindungsblech bestehen vorzugsweise
jeweils aus demselben Werkstoff. Ober- und Unterblech können im
Wesentlichen gleiche Materialstärken
aufweisen, vorzugsweise weist das Unterblech eine größere Materialstärke auf,
beispielsweise die zwei- bis drei- oder mehrfache Materialstärke des
Oberbleches, so dass dieses die mechanische Stabilität des Wärmetauschers
bestimmt. Vorzugsweise weist das Verbindungsblech in etwa die gleiche
Materialstärke
wie das Oberblech auf, oder eine etwas größere, beispielsweise bis zu
150% oder bis zu 120% derselben. Allgemein können Unter-, Ober- und/oder Verbindungsblech
auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, sofern diese durch
geeignete Fügetechniken,
insbesondere Schweißverbindungen,
ausreichend sicher miteinander verbindbar sind.
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Das
Oberblech kann jeweils um mehr als die halbe Materialstärke des
Unterbleches, vorzugsweise um mehr als die ein-, zwei- oder dreifachen
Materialstärke
desselben, von der Stirnkante des Unterbleches zurückversetzt
sein. Die benachbarten Oberbleche weisen somit einen ausreichenden
Abstand auf, um das Verbinden der Unterbleche, insbesondere durch
eine Schweißverbindung,
nicht zu behindern.
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Vorzugsweise
erstreckt sich das Verbindungsblech durchgehend über die gesamte Länge der
Außenkante
des zugeordneten Unterbleches, gegebenenfalls können auch mehrere hintereinander angeordnete
Verbindungsbleche vorgesehen sein, die einander in Längsrichtung überlappen
können.
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Vorzugsweise
ist das Oberblech auf Höhe des
Verbindungsbleches oder in einem diesem benachbarten Randbereich
nicht mit dem Unterblech gehaftet, so dass eine gleichmäßige Aufweitung
des Verbindungsbleches ermöglicht
ist. Gegebenenfalls können
jedoch auch Haftungen von Ober- und Unterblech miteinander hinnehmbar
sein, die zu einer ungleichmäßigen, wellenartigen
Verformung des Verbindungsbleches bei dessen Aufweitung führen würden.
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Sind
Ober- und Unterblech an dem Randbereich derselben durch mindestens
eine linienförmige Naht
miteinander verbunden, so überdeckt
das an einer benachbarten Außenkante
angeordnete Verbindungsblech vorzugsweise diese Naht in Richtung
auf die Außenkante
des Unterbleches hin.
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Die
erfindungsgemäßen WT-Elementvorformlinge
können
eben, zylinderförmig
oder zylinderabschnittsförmig
ausgebildet sein. Der WT-Elementvorformling kann durch geeignete
Formgebungsverfahren, wie sie im Rohrleitungsbau bekannt sind, geeignet
verformt werden. Die eingesetzten WT-Elemente bzw. WT-Elementvorformlinge
können
in Form von Rechteckblechen, einschließlich Quadratblechen vorliegen,
es versteht sich, dass je nach Anwendungsfall auch andere geeignete
Geometrien wie Dreieck-, Trapezbleche oder auch andere Formgestaltungen
möglich
sind.
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Erfindungsgemäße Wärmetauscher
sind besonders vorteilhaft in Form von Rohrabschnitten oder zylindrischen
Bauteilen wie Kolonnen, Reaktoren, Rührkesseln oder dergleichen
einsetzbar, besonders bevorzugt für Rohrleitungsabschnitte, insbesondere Rohrbögen. Hierzu
kann ein erfindungsgemäßer WT-Elementvorformling
zu einem Zylinder- oder Rohrabschnitt gebogen werden und das Unterblech unter
Ausbildung einer Rohrlängsnaht
an beiden gegenüberliegenden
beiden Stirnseiten verbunden werden. Ober- und Unterblech sind benachbart
der Rohrnaht durchgehend linienförmig
und fluiddicht miteinander verbunden. Der WT-Elementvorformling
kann derart ausgebildet sein, dass das Oberblech an den beiden freien
Stirnseiten des Rohrabschnittes von dem Unterblech zurückversetzt
ist. Bei stirnseitiger Verbindung der Unterbleche benachbarter WT-Elemente
kann ein die beiden Oberbleche überbrückendes
Verbindungsblech fluiddicht befestigt werden. Der fluiddurchströmbare Übergang
der beiden WT-Elemente kann hierbei im Wesentlichen dem Rohrumfang
entsprechen. Auf diese Weise sind auch kompliziertere Rohrsysteme
ohne zusätzliche
Rohrübergänge, die
an Ausnehmungen der Oberbleche angeflanscht sind, herstellbar. Die
einzelnen WT-Elemente sind hierbei vorzugsweise derart geschnitten, dass
die zu verbindenden freien Stirnseiten der Rohrabschnitte im Wesentlichen
senkrecht zu der Rohrachse verlaufen.
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Das
Verbindungsblech kann jeweils als Flachblech ausgebildet sein, aber
auch ein anderes Querschnittsprofil aufweisen, beispielsweise als
Winkelblech, Kehlblech mit bogenförmigem Querschnitt oder dergleichen.
Das Verbindungsblech kann gegebenenfalls auch in Art einer Hülse als
entsprechender Abschnitt eines Zylinders, Mehreckprofils oder dergleichen
ausgebildet sein, insbesondere wenn zylindrische oder teilzylindrische
Wärmetauscherelemente
vorliegen, und so auf den Rohrabschnitt aufgeschoben und über der
Verbindungsstelle der beiden Unterbleche positioniert werden. Das
Verbindungsblech kann hierdurch ohne Längsnaht vorliegen. Gegebenenfalls
kann bei der Fertigung von Rohrabschnitten das Verbindungsblech
auch in Art einer Manschette ausgebildet sein, wobei an den beiden Endbereichen
desselben radial vorstehende Laschen angeordnet sein können, um
das Verbindungsblech durch ein Werkzeug zusammenzuzwängen. Die
vorstehenden Laschen können
nachträglich entfernt
werden.
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Mittels
der oben beschriebenen WT-Elementvorformlinge, bei welchen ein Randbereich
des Oberbleches an einer von dem Unterblech zurückversetzten Außenkante
nicht mit dem Unterblech verbunden ist und an mindestens einer oder
vorzugsweise allen übrigen
Seiten, an welchen Ober- und Unterblech zumindest im Wesentlichen
oder auf exakt gleicher Höhe
enden und diese linienförmig
und fluiddicht miteinander verbunden sind, können auch fluiddurchströmbare Anschlusskanäle konstruktiv
besonders einfach hergestellt werden, die zudem nur geringe Druckverluste
erzeugen. So kann der von dem Unterblech zurückspringende Rand bereich des Oberbleches
mit einem quer zu diesem angeordneten und mit Durchströmungsöffnungen
versehenen Stirnblech fluiddicht verbunden, insbesondere verschweißt, sein,
wobei das Stirnblech mit dem Unterblech zusätzlich gehaftet bzw. verschweißt werden kann.
Das mit den Fluiddurchtrittsöffnungen
versehene Stirnblech kann dann Teil eines Strömungskanals sein, wobei die
gegenüberliegende
Seitenwand desselben vorzugsweise mit demselben Unterblech fluiddicht
verbunden wird, wodurch eine bauliche Einheit geschaffen wird. Hierzu
kann ein geeignetes Winkelblech mit der Oberkante des Stirnbleches
und dem Unterblech verbunden werden. Es versteht sich, dass die
Durchtrittsöffnungen
des Stirnbleches vorzugsweise oder ausschließlich auf Höhe der Aufweitungen des Oberbleches
angeordnet sein können. Das
Oberblech kann jedoch auch über
die gesamte Länge
der zurückversetzten
Außenkante
aufgeweitet werden, wobei die Durchtrittsöffnung des Stirnbleches eine
entsprechende Länge
aufweisen oder aus mehreren schlitzförmigen Öffnungen bestehen kann. Gegebenenfalls
kann das Oberblech benachbart dem Stirnblech bereichsweise an dem
Unterblech gehaftet sein, beispielsweise durch die ansonsten angebrachten
Verbindungsstellen (z.B. Schweißkreise),
so dass die Aufweitungskante des Oberbleches nicht-geradlinig sein
kann.
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Die
zurückversetzte
Kante des Oberbleches kann bis auf eine Höhe aufgeweitet werden, die
der Aufweitung anderer Abschnitte des Oberbleches auf Höhe der fluiddurchströmbaren Zwischenräume entspricht,
die Aufweitung kann jedoch auch geringer oder insbesondere stärker erfolgen,
um so einen großvolumigen
Einströmbereich
in das Wärmetauscherelement
bereitzustellen.
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Ist
das WT-Element als Rohrabschnitt ausgebildet, so kann das Stirnblech
in Form eines Ringbleches mit entsprechendem Durchmesser ausgebildet
sein, der weitere Teil des Strömungskanals
als Hülse
oder Rohrabschnitt. Der Strömungskanal
selber kann mit einem entsprechenden Stutzen als Fluideinlass/Fluidauslass
verbunden sein.
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Die
Aufweitung des Oberbleches erfolgt bei dieser wie auch der oben
beschriebenen Ausgestaltung vorzugsweise nach erfolgter Befestigung
bzw. Verscheißung
des Oberbleches an dem Verbindungsblech bzw. dem Stirnblech.
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Allgemein
kann die jeweilige Aufweitung von Ober-, Unter- und/oder Verbindungsblech bei Umgebungstemperatur
erfolgen, gegebenenfalls auch bei höheren Temperaturen von beispielsweise
bis 50°C oder
bis 100°C,
ohne hierauf beschränkt
zu sein. Das zur Aufweitung der Bleche eingesetzte Fluid kann Wasser,
Luft, ein Inertgas oder ein anderes geeignetes Fluid sein. Der für die Aufweitung
erforderliche Fluiddruck hängt
insbesondere von Materialstärke und
Werkstoff der aufzuweitenden Bleche ab, und von Anzahl und Raster
sowie Durchmesser der Verbindungsstellen. Üblicherweise liegt der Fluiddruck (Aufweitungsdruck)
im Bereich von 5 bis 600 bar.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielhaft beschrieben und anhand der
Figuren beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
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1 eine Draufsicht auf zwei WT-Elemente eines
erfindungsgemäßen Wärmetauschers (1a),
eine Detailansicht (1b), eine Schnittdarstellung
im Ausgangszustand (1c), eine Schnittdarstellung
in aufgeweitetem Zustand (1d),
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2 eine Schnittdarstellung eines Wärmetauscherelementes
mit integriertem Anschlusskanal (2a) und
eine Schnittdarstellung in Draufsicht (2b),
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3 verschiedene Querschnittsdarstellungen
der Verbindungsbleche.
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In 1 ist ein Wärmetauscher 1 aus
zwei WT-Elementen dargestellt, wobei zugehörige Zu- und Ableitungen für das wärmetau schende
Fluid nicht dargestellt sind. Die WT-Elemente 2 bestehen jeweils
aus zwei parallel zueinander angeordneten Platten, nämlich einem
Ober- und Unterblech 3, 4, die in nicht aufgeweitetem
Zustand plan und vollflächig
aufeinander aufliegen, ohne dass dies jedoch zwingend erforderlich
ist. Die beiden Platten sind durch eine Vielzahl von gleichmäßig über die
Plattenfläche
verteilten Verbindungsstellen 5, die hier in Form von Schweißkreisen
oder anderen bezogen auf die Blechdimensionen im Wesentlichen punktförmigen Verbindungsstellen
ausgeführt
sind, dauerhaft verbunden. Die Verbindungsstellen 5 können z.
B. durch Laser- oder Widerstandsschweißen hergestellt sein. Die dargestellten
WT-Elemente sind aus größeren Platten,
bei welchen Ober- und Unterblech durch die Verbindungsstellen bereits
miteinander verbunden sind, z.B. durch Laserschneiden herausgetrennt, so
dass an den Stirnseiten 6 Ober- und Unterblech exakt bündig aufeinander
aufliegen. Es versteht sich, dass gegebenenfalls auch Ober- und
Unterblech einzeln zusammengefügt
werden können.
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Zur
Verbindung der beiden WT-Elemente 2 sind die beiden Oberbleche 3 an
den dauerhaft gefügten,
aufeinander zugewandten Stirnseiten 7 der Unterbleche nach
innen zurückversetzt,
so dass die Außenkanten 8 der
Unterbleche 3 auf Höhe
der Verbindung 9 mit Abstand d beabstandet sind. Die Schweißverbindung 9 ist
hierbei mittig zu den Außenkanten 8 der
Oberbleche angeordnet. Die Schweißverbindung 9 kann
somit von der den Oberblechen zugewandten Seite her durchgeführt werden.
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Nach
Zusammenfügen
der Unterbleche 4 kann ein Verbindungsblech 11,
vorzugsweise jeweils überlappend,
mit den Oberblechen 3 dauerhaft und fluiddicht verbunden
werden. Hierzu können
sowohl Schweißverbindungen 12 mit
Schweißzusatzwerkstoff
vorgesehen sein, vorzugsweise an den Außenkanten des Verbindungsbleches,
wobei ferner beabstandet von den Kanten schweißzusatzwerkstofffreie Schweißverbindungen 14,
z.B. durch Laser- oder Widerstandsschweißen, zwischen Ober- und Unterblech
vorgesehen sein können.
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An
den außenliegenden
Randbereichen 15, an denen ein Fluidübergang zwischen verschiedenen
WT-Elementen nicht erwünscht
ist, sind Ober- und Unterblech durch eine oder mehrere linienförmige, fluiddichte
Schweißverbindung 16 miteinander verbunden.
Das Verbindungsblech 11 erstreckt sich hierbei über die
quer zu diesem verlaufenden Schweißverbindungen 16 bis
vorzugsweise nahezu unmittelbar an die Außenkante des Unterbleches hin.
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Herkömmliche,
konstruktiv sehr aufwändige Fluidübergänge zwischen
den WT-Elementen, bei welchen beide Oberbleche mit Eintrittsöffnungen
zu versehen und Rohrverbindungen 25 sowie entsprechende
Anschlusstutzen an den Oberblechen zu befestigen sind (siehe 1a,
gestrichelt), die jeweils zudem sehr hohe Druckverluste bedingen,
werden hierdurch entbehrlich.
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Wie
in 1c dargestellt, kann die Stärke des Unterbleches 4 in
etwa der dreifachen Stärke
des Oberbleches erstrecken. Das Oberblech 4 kann in etwa
um die zwei- bis dreifache Stärke
des Unterbleches von der Verbindungslinie 9 zurückversetzt
sein.
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Es
versteht sich, dass die WT-Elemente nicht auf die dargestellte Rechteckform
und/oder ebene Form beschränkt
sind, sondern an die jeweiligen Erfordernisse anpassbar ist. Ferner
können
die einzelnen WT-Elemente zylinderförmig gebogen oder zu Rohrabschnitten
geformt sein, wozu beispielsweise die gegenüberliegenden Stirnseiten 17a, 17b,
die der Verbindungsnaht 9 benachbart sind, fluiddicht miteinander
zu verbinden sind. Die Formung der WT-Elemente kann vor oder nach
der Anbringung der Verbindungsbleche 11 erfolgen. Es versteht
sich, dass zur Ausbildung längerer
Rohrabschnitte auch mehrere WT-Elemente miteinander unter Verwendung
von Verbindungsblechen 11 verbindbar sind, wozu das Oberblech
an gegenüberliegenden
Randbereichen 18a, 18b von der Außenkante
des Unterbleches zurückversetzt
sein kann. Entsprechend können
sich zur Herstellung von Wärmetauschern
mit großem Durchmesser
die Verbindungsbleche auch in Längsrichtung
derselben erstrecken.
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Zur
Ausbildung fluiddurchströmbarer
Zwischenräume 10 zwischen
Ober- und Unterblech können
an den WT-Elementen geeignete Anschlüsse 19 für Fluidzu-
und -abführungen
vorgesehen sein, vorzugsweise an den Eck- oder Randbereichen der WT-Elemente.
Durch Druckbeaufschlagung mit einem Fluid (z.B. Wasser) können Ober- und/oder Unterblech
wie in 1d gezeigt aufgeweitet werden. Hierbei
wird auch der durch das Verbindungsblech 11 überbrückte Bereich 20 aufgeweitet,
gegebenenfalls auch unter Aufweitung des Verbindungsbleches 11 selber,
was unter anderem von den gewählten
Materialstärken
der Bleche abhängt.
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Durch
die Aufweitung von Ober- und Verbindungsblech auf Höhe der Verbindung 9 wird
somit ein fluiddurchströmbarer Übergang
zwischen den benachbarten WT-Elementen 2 geschaffen, der
sich über
die gesamte Länge
der Verbindung 9 bzw. die Außenkanten der WT-Elemente 2 erstrecken
kann. Wie in 1a, b dargestellt, kann jedoch
gegebenenfalls ein Oberblech auf Höhe des Verbindungsbleches 11 oder
benachbart zu diesem durch Verbindungsstellen 21, die gegebenenfalls
auch linienförmig
ausgebildet sein können,
mit dem Unterblech gehaftet sein. An den Verbindungsstellen 21 wird
das Verbindungsblech dann nicht aufgeweitet, so dass an dieser Stelle
der Fluidübergang
zwischen den WT-Elementen 2 behindert oder durchbrochen
sein kann.
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Gegebenenfalls
kann sich das Verbindungsblech 11 auch nur über eine
Teillänge
der Außenkante
des Unterbleches bzw. der Verbindung 9 erstrecken, wobei
das Unterblech in dem verbleibenden Bereich durchgehend und fluiddicht
durch Schweißverbindungslinien 16 mit
dem Oberblech verbunden sein kann.
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Gegenstand
der Erfindung sind auch WT-Elementvorformlinge, die den WT-Elementen 2 in
nicht-aufgeweitetem Zustand entsprechen können. Ober- und Unterblech
liegen hierbei vollflächig
aufeinander (siehe 1c) und sind durch die oben
beschriebenen Verbindungsstellen dauerhaft miteinander verbunden.
An einer oder mehreren Kanten des Unterbleches springt das Oberblech
von diesem zurück
(siehe 1c), wohingegen an den Randbereichen 15,
an welchen Ober- und Unterblech im Wesentlichen oder exakt deckungsgleich
zueinander angeordnet sind, die beiden Bleche durch mindestens eine
linienförmige
Schweißverbindung 16 miteinander
verbunden sind. Das Oberblech kann auch jeweils an ein, zwei, drei
oder vier Kanten des WT-Elementvorformlings von dem Unterblech zurückversetzt
sein, insbesondere wenn diese als Mehreckbleche oder Rechteckblechen
ausgebildet sind.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes WT-Element 30 eines
Wärmetauschers
mit Ober- und Unterblech 31, 32 und integriertem
Anschlusskanal 33, der mit einem Eintrittsrohr 34 versehen
ist. Der nach Aufweitung von Ober- und/oder Unterblech zwischen diesen
entstehende Zwischenraum 35 ist hierbei durch die Durchtrittsöffnung 36 des
Stirnbleches 37, welches Bestandteil des Anschlusskanals
ist, fluiddurchströmbar
mit dem Eintrittsrohr 34 verbunden. Der Anschlusskanal 33 ist
hierbei auf demselben Unterblech 32 angeordnet, wie das
angrenzende Oberblech 31 und kann sich über die gesamte Längserstreckung
des Unterbleches bzw. WT-Elementes erstrecken, gegebenenfalls jedoch
aber auch nur über einen
Abschnitt desselben. Hierdurch wird eine konstruktiv und strömungstechnisch
besonders vorteilhafte Zu- bzw. Ableitung für das den Zwischenraum 35 durchströmende Fluid
geschaffen, wobei Druckverluste bei der Zu- bzw. Ableitung von Fluid
zu/von den WT-Elementen weitestgehend vermieden werden.
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Zur
Herstellung des WT-Elementes nach 2 kann
ausgehend von einem WT-Elementvorformling gemäß 1,
bei welchem Ober- und Unterblech vollflächig aufeinander aufliegen
und diese am Randbereich, bis auf den mit dem Anschlusskanal zu
versehenen Abschnitt, linienförmig
und fluiddicht miteinander verbunden sind, der nicht mit dem Unterblech
gehaftete Randbereich des Oberbleches beispielsweise durch geeignete
Werkzeuge mechanisch aufgeweitet werden. Anschließend kann
das mit den Durchtrittsöffnungen 36 versehene
Stirnblech 37, welches sich quer bzw. senkrecht zu Ober-
und Unterblech erstreckt, durch die Schweißverbindungen 38, 39 mit
Ober- und Unterblech verbunden werden. Obwohl sich die Durchtrittsöffnung 36 über die gesamte
Länge des
Anschlusskanals erstrecken kann, sind Abstützungen 40 vorgesehen,
die mit dem Unterblech gehaftet sein können. Nachfolgend hierzu wird
durch Anbringung des Winkelbleches 41 der Anschlusskanal 33 vervollständigt, der
stirnseitig geschlossen werden kann. Das Eintrittsrohr 34 wird dann
angebracht. Nach Montage eines das Stirnblech 37 umfassenden
Anschlusskanals kann dieser dann mit Fluid druckbeaufschlagt werden,
um durch den Fluiddruck Ober- und/oder Unterblech aufzureiten. Die
Aufweitung erfolgt somit entgegen der herkömmlichen Vorgehensweise erst
nach dauerhafter Befestigung bzw. Verschweißung des Stirnbleches 37 mit
Unter- und Oberblech, so dass die Schweißverbindung bei den zuvor noch
nicht aufgeweiteten Blechabschnitten einfacher und sicherer herstellbar ist.
Demgegenüber
wird bei herkömmlichen
Herstellungsverfahren immer zunächst
zumindest eines der beiden Bleche aufgeweitet und erst nachfolgend
hierzu der rohrförmige Übergang
angeschweißt.
Bei geringfügig
ungleichmäßiger Aufweitung
der Bleche sind hierdurch Herstellungs- und Dichtigkeitsprobleme
nicht zu vermeiden. Der Anschlusskanal kann sich hierbei über die
gesamte Ausdehnung einer Aussenkante des WT-Elementes erstrecken,
aber auch nur über
ein Teil derselben, wobei die verbleibenden Randbereiche von Ober-
und Unterblech an dieser Kante linienförmig fluiddicht verbunden sein können. Der
Anschlkusskanal kann sich gegebenenfalls auch durchgehend über benachbarte
Randbereiche der WT-Elemente erstrecken.
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3 zeigt beispielhaft einige Abwandlungen
von Verbindungsblechen 45 mit unterschiedlicher Querschnittsgestalt,
wobei weitere Ausgestaltungen ohne weiteres möglich sind. Das Verbindungsblech
kann somit im Wesentlichen eben (3a), winkelförmig (3b)
oder gewölbt (3c)
ausgeführt
sein, wobei jeweils horizontal abgehende Laschen 46 vorgesehen
sein können,
um eine dauerhafte Schweißverbindung
mit dem Oberblech zu ermöglichen.
Gemäß 3d ist
die Anordnung der Laschen nicht zwingend notwendig, was auch für andere
Ausgestaltungen des Verbindungsbleches gilt.
-
- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Wärmetauscherelement
- 3
- Oberblech
- 4
- Unterblech
- 5
- Verbindungsstelle
- 6,
7
- Stirnseite
- 8
- Außenkanten
- 9
- Verbindung
- 10
- Zwischenraum
- 11
- Verbindungsblech
- 12
- Schweißverbindung
- 13
- Außenkante
- 14
- Schweißverbindung
- 15
- Randbereich
- 16
- Schweißverbindung
- 17a,
17b
- Stirnseiten
- 18a,
18b
- Randbereich
- 19
- Anschluss
- 20
- Übergang
- 21
- Verbindungsstelle
- 30
- WT-Element
- 31
- Oberblech
- 32
- Unterblech
- 33
- Anschlusskanal
- 34
- Eintrittsrohr
- 35
- Zwischenraum
- 36
- Durchtrittsöffnung
- 37
- Stirnblech
- 38,
39
- Schweißverbindung
- 40
- Abstützung
- 41
- Winkelblech
- 45
- Verbindungsblech
- 46
- Lasche