DE1704261B2 - Schweissvorrichtung zum herstellen eines waermeaustauschers-rohrbuendels aus thermoplastischen rohren - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schweißvorrichtung zum Herstellen eines Wärmeaustauscher-Rohrbündels aus einer Vielzahl nebeneinanderliegender Rohre aus thermoplastischem Kunststoff, die an den Enden in die Bohrungen eines Rohrbodens aus Kunststoff eingeschweißt sind, mit einer Stützeinrichtung für das Rohrbündel und den Rohrboden sowie mit einer relativ zum Rohrboden verschiebbaren Schweißeinrichtung mit einer Schweißplatte mit einer Vielzahl vorstehender, heizbarer Führungsstifte zum lagegerechten Zentrieren und Andrücken der Rohrenden in den Bohrungen des Rohrbodens beim Verschweißen und einer Heizeinrichtung für die Führungsstifte.

Wärmeaustauscher aus Kunststoffrohren sind bekannt (US-PS 32 28 456) und haben sich auf vielen Gebieten bereits bewährt. Für die Herstellung derartiger Wärmeaustauscher ist eine Schweißeinrichtung dei eingangs genannten Art aus der US-PS 24 33 546 bekannt. Durch die Verwendung von thermoplastischen Kunststoffrohren und Rohrboden tauchen bei der Konstruktion und Herstellung eine Reihe besonderer Probleme wegen der relativ niedrigen Wärmeübergangsund der relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Bei der bekannten S^hweißvorrichtung sind auf der Schweißplatte die heizbaren Führungsstifte zum lagegerechten Zentrieren und Andrücken der Rohrenden in den Bohrungen des Bodens beim Verschweißen unverrückbar in der gewählten Teilung befestigt. Außerdem dienen sie zur Verbindung der Rohre aneinander, weshalb für jede Rohrgröße eine Schweißplatte mit einer anderen Teilung der Führungsstifte erforderlich ist. Dadurch haben die festen Führungsstifte unter Umständen die Neigung, die Rohre zu beschädigen, wenn

diese nicht genau genug ausgerichtet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Schweißvorrichtung so weiterzubilden, daß sichergestellt ist, daß die Rohre lagegenau in den Rohrboden eingeschweißt werden können, ohne daß die beim Schweißvorgang eintretende Ausdehnung und Wärmeverformung zu Verklemmungen und Störungen bzw. undichten Schweißstellen führt.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung für oie eingangs genannte Schweißeinrichtung dadurch gelöst, daß die Führungsstifte mit Spiel beweglich in der Schweißplatte gelagert sind. Vorzugsweise sind die Führungsstifte nur in der Ebene der Schweißplatte verschiebbar, damit sie sich nicht schrägstellen können und ein Zentrieren schlecht zentrierter Rohre verklemmungsfrei bewirken.

Zweckmäßigerweise weisen die Führungsstifte Köpfe auf und sind sie mit diesen zwischen einer Grundplatte und einer jeden Stiftschaft mit dem Spiel aufnehmenden Lochplatte, die durch einen Abstandsring von gut der Höhe der Stiftköpfe voneinander getrennt sind, gehalten. Bei einem Wechsel der Rohrteilung und/oder der Rohrdurchmesser, wie er zur Anpassung an verschiedene Austauscherkonstruktionen erforderlich ist, brauch« dann nur die Lochplatte und/oder der Führungsstiftsatz ausgewechselt zu werden.

Diese einfache Ausbildungsform läßt bei guter Führung ein ausreichendes seitliches Spiel aller Führungsstifte zu. Im übrigen ist die Halterung der Führungsstifte einfach ausgebildet. Die Führungsstifte werden im allgemeinen aus metallischem Werkstoff bestehen. Sie können dann durch eine induktive Heizeinrichtung erwärmt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Schweißvorrichtung lassen sich Wärmeaustauscher aus thermoplastischen Kunststoffrohren einfacher und wirtschaftlicher als mit der bekannten Schweißvorrichtung herstellen.

Die Erfindung ist an mehreren Ausführungsbeispielen an Hand einer Zeichnung näher erläutert, in der zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Schweißplatte mit mit Spiel gelagerten Führungsund Schweißstiften,

F i g. 2 eine bekannte Schweißplatte im Querschnitt,

F i g. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Schweißplatte nach F i g. 1,

F i g. 4 einen vergrößerten Ausschnitt der bekannten Schweißplatte nach F i g. 2,

F i g. 5 einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Schweißvorrichtung mit einem Kunststoffrchrbündel und zwei Kunststoffrohrböden mit einer Schweißplatte, deren Führungsstifte vor den Stirnseiten der Rohre sich befindet, und

Fig. 6 eine Schweißvorrichtung mit je einer Schweißplatte vor den beiden Rohrbündelenden.

Die Schweißeinrichtung weist als Hauptbauteil eine Schweißplatte mit einer Vielzahl vorstehender, heizbarer Führungsstifte 6 auf, welche nebeneinander in ebener Anordnung und parallel zueinander, s. Fi g. 1, angeordnet sind. Jeder Führungsstift weist eine sich zum vorderen Ende hin verjüngende Spitze und am rückwärtigen Ende einen Kopf 7 auf. Die Führungsstifte 6 sind mit ihren Köpfen 7 zwischen einer Grundplatte 1 und einer jeden Stiftschaft mit dem Spiel in einer Durchbohrung 5 aufnehmenden Lochplatte 2, die durch einen Abstandsring 3 von gut der Höhe der Stiftköpfe 7 voneinander getrennt sind, mit Spiel lose verschieblich gehalten. Der Querschnitt der Durchbohrungen 5 ist

erheblich größer als der Querschnitt der Stifte. Dies gewährleistet eine erhebliche Bewegungsfreiheit der Führungsstifte relativ zueinander und zur aus den Teilen 1, 2 und 3 gebildeten Schweißplatte. Einer der Führungsstifte, vorzugsweise der in der Mitte der Schweißplatte angeordnete, nimmt einen Temperaturfühler 8, beispielsweise ein Thermoelement, mit den üblichen Verbindungsleitungen 10 auf, un. von hier eine Temperatursteuerung des Schweißvorgangs vornehmen zu können.

Der mit der Schweißplatte herstellbare Wärmeaustauscher weist ein Rohrbündel aus Rohren T, bei dem wenigstens die Rohrenden parallel zueinander liegen, und wenigstens einen Rohrboden TSH mit einer Reihe paralleler Bohrungen auf. Zweck der Schweißvorrichtung ist die Verbindung, Versiegelung und Verschweißung der Außenseite der jeweiligen Rohrenden mit den Innenwänden der zugehörigen Bohrungen des RohrbG-dens zu einer flüssigkeitsdichten Verbindung. Um dies zu erreichen, wird das Ende jedes Rohres am einen Ende des Rohrbündels in die zugehörige Bohrung des Rohrbodens eingeführt, wobei der Außendurchmesser der Rohre etwas kleiner als der Innendurchmesser der Bohrungen des Rohrbodens ist. Zum Verschweißen wird jeder heizbare Führungsstift zum lagegerechten Zentrieren und Andrücken der Rohrenden in den Bohrungen des Rohrbodens beim Verschweißen axial eingeschoben. Danach werden die Führungsstifte auf Schweißtemperatur erwärmt, die so hoch liegt, daß wenigstens der Außenbereich der die Führungsstifte umgebenden Rohrenden mit der Innenwandung der Bohrungen des Rohrbodens verschweißt wird, worauf man die gesamte Anordnung und die Führungsstifte abkühlen läßt und sie danach aus den Rohrenden des Rohrbündels wieder herauszieht. Der gleiche Vorgang muß dann nochmals auf der anderen Seite des Rohrbündels wiederholt werden. Das auf diese Weise mit einem Rohrboden verbundene Rohrbündel kann dann in bekannter Weise weiter zu einem Wärmeaustauscher verarbeitet werden, d.h., beispielsweise in einem Gehäuse oder Mantel angeordnet werden.

An Hand der F i g. 3 und 5 sei die Herstellungsweise noch etwas genauer erläutert. Ein Rohrbündel aus den Rohren T wird mit Rohrboden 12 und zwei metallischen, an den Rohrboden anliegenden Stützplatten 13 mit mit den Bohrungen der Rohrboden fluchtenden Bohrungen verbunden. Die miteinander vereinigten Teile werden senkrecht, wie in F i g. 5 dargestellt, in einer Stützeinrichtung mit einem rohrförmigen Gehäuse 19 angeordnet. Dieses weist am oberen und unteren Ende jeweils einen Ringflansch 15 auf, der mittels Schrauben 20 mit dem Gehäuse 19 verschraubt wird. Das Gehäuse 19 wird vertikal durch ein waagerechtes Stützglied 16 mit entsprechender Öffnung getragen, an deren Rand sich der Flansch 15 abstützt. Die zu bearbeitenden vereinigten Teile des Wärmeaustauschers hält am oberen Ende des Stützgehäuses 19 ein geteilter Ring 14 zwischen dem Flansch 15 und der Stützplatte 13. In der Anordnung nach Fig.5 ist die Schweißeinrichtung mit der Schweißplatte am oberen Ende des Wärmeaustauschers in Wirkverbindung mit den Rohrenden und dem Rohrboden gegen das Stützgehäuse 19 mittels Klammern 17 und Schrauben 18, die in die Flan sehe 15 eingeschraubt sind, festgeklemmt. F i g. 5 entnimmt man ferner, daß die Klammern 17 nach innen vorspringende Finger aufweisen, die an der oberen Schweißplatte angreifen, um sie, den Wärmeaustauscher und die Stützeinrichtung positiv in bestimmter Lage zueinander während des Schweißvorgangs zu halten. Man sieht vorteilhafterweise noch eine gelochte isolierplatte 11, beispielsweise aus Silicatglas, zwischen der unteren Lochplatte 2 und der Oberfläche des Rohrbodens 12 vor. Sie schirmt den Rohrboden 12 gegenüber direkter Wärmeaufnahme von der Schweißeinrichtung ab.

Die Erwärmung der Führungsstifte 6 erfolgt mit einer flachen Induktionsheizspule 60, die den Stiften entsprechend zugeordnet ist. Die Energiezufuhr wird über das Thermoelement 8 und einer angeschlossenen Steuereinrichtung 30 so geregelt, daß sich eine bestimmte Temperatur in den Stiften einstellt. Bei Erreichen dieser Temperatur beginnen die Rohrenden und der Rohrboden zu schmelzen und miteinander zu verschweißen, wobei eine gute flüssigkeitsdichte Verbindung auch bei zunächst nicht zentrierten Rohrenden entsteht. Erst nach der Abkühlung wird die Schweißplatte mit den Führungsstiften aus dem Wärmetauscher herausgezogen.

Das untere Ende des Wärmeaustauschers und der Stützeinrichtung gemäß F i g. 5 ist in der gleichen Weise wie das obere Ende angeordnet. Bei der Konstruktion nach F i g. 5 ist es nötig, die Lage der Schweiß- und Stützeinrichtung in der waagerechten Halterung 16 umzudrehen, um das untere Ende in Wirkverbindung mit der Heizeinrichtung 60 zu bringen.

In F i g. 6 ist eine automatisierte Version der Schweißvorrichtung nach F i g. 5 dargestellt, bei welcher die Verschweißung gleichzeitig an beiden Enden (oben und unten) vorgenommen werden kann. Hier sind die Stützeinrichtung 19 und die zugeordneten Teile in beweglichen, waagerecht angeordneten Stützen 40, 41, die an einer Drehsäule 44 einer Stütze 45 befestigt sind, in einer Erwärmungslage gehalten, in welcher die Schweißeinrichtungen auf der Ober- und Unterseite automatisch in und außer Eingriff mit dem Rohrbündel mittels beweglicher Teile 31, 33 und 50, 51 durch vertikal verschiebliche Platten 32 und 52 bringbar sind. Einführen und Herausziehen der Führungsstifte aus den Rohrenden kann durch eine Vibrationsbewegung, wenn erforderlich, unterstützt werden. Zusätzlich kann auch noch ein Schmiermittel, wie beispielsweise ein Silicon aiii die Stifte aufgebracht werden, um so die Arbeitsweise zu erleichtern.

Das Hauptmerkmal der Schweißvorrichtung nach der Erfindung betrifft die Konstruktion und Anordnung der Schweißplatte, die die Führungsstifte aufnimmt. In F i g. 2 ist eine bekannte Schweißplatte dargestellt. Hier waren die Stifte 111 in einer Grundplatte 110 fest mittels Schweißung, Hart- oder Weichlötung bei 112 verbunden. Versuchte man, mit dieser bekannten Vorrichtung eine Verschweißung in der oben beschriebenen Art zu bewirken, machte die erheblich höhere Wärmeausdehnung (nach außen von der Mittellinie in F i g.4 aus) des Kunststoffrohrbodens im Verhältnis zur Wärmeausdehnung der metallischen Schweißplatte UO, mit der die Stifte fest verbunden sind, die Bildung von schadhaften Verbindungen zwischen den Rohren und dem Rohrboden, wie es in F i g. 4 dargestellt ist, in welcher unerwünschte Versetzungen mit A und B bezeichnet sind, möglich. Diese Versetzungen bewirkten eine schlechte Abdichtung oder sogar Lecks. Bei der erfindungsgemäßen Schweißeinrichtung justieren die verschieblichen Führungsstifte 6 während des Schweißvorgangs die gegenseitige Lage und ihre Lage gegenüber der Schweißplatte zur Anpassung an die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen zwischen Kunst-

stoffrohrboden und der zusammengesetzten Schweißplatte selbsttätig ein (F i g. 3). Diese Schweißvorrichtung bewirkt eine zuverlässige Verschweißung trotz der Erhitzung.

Verarbeitet werden können die meisten bekannten thermoplastischen Werkstoffe für Rohre von Wärmeaustauschern einschließlich der polyfluorinierten Werkstoffe. Die Werkstoffauswahl bestimmt eine Reihe von Faktoren, die Temperaturen und Zeiten, die zur Erzielung der gewünschten Verschweißung erforderlich sind.

Es wurde eine Schweißvorrichtung gemäß F i g. 5 für einen Wärmeaustauscher mit 330 Rohren aus einem Copolymer des Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen mit einem Durchmesser von 2 mm und einer Wandstärke von 0,2 mm sowie einer Länge von 660 mm gebaut. Er wies ferner zwei Rohrboden aus dem gleichen Material wie die Rohre auf, deren Durchmesser 200 mm und deren Dicke 3,2 mm betrug, jeder Rohrboden war abgestützt mittels einer gleich großen 10 mm starken Platte aus nichtrostendem Stahl. Die Schweißplatte hatte 240 mm Durchmesser mit 330 kreisrunden Bohrungen von 1,8 mm Durchmesser, die an den Ecken gleichseitiger Dreiecke in einem Abstand von 4,05 mm angeordnet waren. Die Führungsstifte hatten einer Durchmesser von 1, 5 mm und eine Länge von 8,4 mm und die Gesamtlänge über alles betrug 9,8 mm mil einer Spitze, deren Konuswinkel 75° betrug. Die Abrundung hatte einen Radius von 1 mm. Die Schweißplatte besteht zweckmäßigerweise aus einem niedrig gekohltem Stahl, um gut induktiv erwärmbar zu sein Die Isolierplatte hatte einen Durchmesser von 200 mm

ίο eine Dicke von 1,6 mm und bestand aus Silicatglas. Die Induktionsheizvorrichtung hatte eine flache konische Induktionsspule mit 7 Windungen in einem Abstanc von 13 mm von der Oberseite der oberen Platte, die von einem Hochfrequenzgenerator gespeist wird. Dei Schmelzpunkt der Kunststoffrohre und Rohrboden betrug etwa 280°C und die Temperatur am Thermoelement 8 bei günstigsten Schweißbedingungen etwa 28f bis 291°C. Die Schweißdauer betrug etwa 4 bis 4'/2 Minuten. Nach dem Schweißen ließ man die Rohrbündelenden zunächst solange an Luft abkühlen, bis die Tem peratur auf unter 40°C gesenkt war.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schweißvorrichtung zum Herstellen eines Wärmeaustauscher-Rohrbündels aus einer Vielzahl nebeneinanderliegender Rohre aus thermoplastischem Kunststoff, die an den Enden in die Bohrungen eines Rohrbodens aus Kunststoff eingeschweißt sind, mil einer Stützeinrichtung für das Rohrbündel und den Rohrboden sowie mit einer relativ zum Rohrboden verschiebbaren Schweißeinrichtung mit einer Schweißplatte mit einer Vieizah! vorstehender, heizbarer Führungsstifte zum lagegerechten Zentrieren und Andrücken der Rohrenden in den Bohrungen des Rohrbodens beim Verschweißen und einer Heizeinrichtung für die Führungsstifte, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstifte (6) mit Spiel beweglich in der Schweißplatte (1,2,3) gelagert sind.

Z Schweißvorrichtung nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstifte (6) nur in der Ebene der SchweiOpiatte (1, 2, 3) verschiebbar sind.

3. Schweißvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstifte (6) Köpfe (7) aufweisen und mit diesen zwischen einer Grundplatte (1) und einer jeden Stiftschaft mit dem Spiel (Durchbohrung 5) aufnehmenden Lochplatte (2), die durch einen Abstandsring (3) von gut der Höhe der Stiftköpfe (7) voneinander getrennt sind, gehalten sind.