DE3807055C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wärmetauscherblöcke der genannten Art sind bei Profilrohrwärmetau­ schern gemäß der DE-PS 31 46 090 bekannt. Solche bekannten Profilrohr­ wärmetauscher weisen im wesentlichen zwei etwa parallel nebeneinander angeordnete Sammelrohre für die Druckluftführung auf. An die Sammel­ rohre ist eine in einem U-Bogen verlaufende Profilrohrmatrix ein­ trittsseitig bzw. austrittsseitig anzuschließen. Die Profilrohrmatrix wird von Heißgas durchströmt, um die über das eine Sammelrohr zuge­ führte Druckluft aufzuheizen, wobei die aufgeheizte Druckluft dann über das benachbarte weitere Sammelrohr einem geeigneten Verbraucher, z. B. der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes, zugeführt werden kann.

Bei derartigen bekannten Wärmetauschern müssen eine Vielzahl von Pro­ filrohrenden fluiddicht und betriebssicher mit den Sammelrohren ver­ bunden werden können. Hierzu wurde schon vorgeschlagen, die be­ treffenden Sammelrohre mit einer entsprechenden Vielzahl von Löchern zu versehen, in die die betreffenden Profilrohrenden einzufügen und dann abschließend mit dem Rohrwerkstoff zu verlöten sind. Die genannte Verbindungsweise erfordert einen vergleichsweise hohen Herstellungs­ aufwand, indem die einzelnen Profilrohrenden in einer vergleichsweise großen Anzahl von Arbeitsgängen und im Wege präzisionshandwerklicher Maßnahmen mit den Sammelrohrböden verbunden werden müssen.

Die zuvor genannte Lötung stellt einen praktisch bisher nicht bewäl­ tigten Risikofaktor dadurch dar, daß verhältnismäßig große Lötspalte bzw. -fugen vorausgesetzt werden müssen, um einen einwandfreien Trans­ port des schmelzflüssig zugeführten Lotes gewährleisten zu können. Dabei besteht die Gefahr, daß sich das schmelzflüssig zugeführte Lot in örtlich unterschiedliche Zonen verlagert, so daß beim abschließen­ den Erkaltungsprozeß keinerlei Gewähr gegeben ist, daß die be­ treffenden Lötfugen über ihren Gesamtumfang gänzlich mit Lot ausge­ füllt sind. Dies wirkt sich nachteilig auf die erforderliche Dichtheit und Festigkeit der Verbindungen aus. Eine verhältnismäßig große Löt­ dicke wirkt sich wiederum nachteilig hinsichtlich des Korrosionsver­ haltens der Verbindung aus. Selbst bei schon elektronenstrahlge­ schweißten Verbindungsversionen ist darüber hinaus eine vergleichs­ weise geringe Festigkeit infolge von Kerbwirkungen an den betreffenden Verbindungsstellen des Sammelrohres zu erwarten.

Bei einem aus der DE-OS 33 10 061 bekannten Verfahren zur Herstellung einer Rohrverteileranordnung bzw. eines Wärmetauscherblockes soll ein Rohrboden oder Sammelrohr aus einer Vielzahl genauestens vorgeformter bzw. vorprofilierter Elemente zusammengesetzt werden; entsprechend der Anzahl und der gewünschten Beabstandung der Profilrohre der Matrix sollen dabei die betreffenden Schicht auf Schicht zusammenzufügenden Elemente also so vorgeformt sein, daß sie die angeordneten Pro­ filrohrenden der Matrix jeweils zur Hälfte formschlüssig umschließen können.

Zum bekannten Fall wird es als nachteilhaft angesehen, daß trotz ver­ hältnismäßig genauer Fertigung der betreffenden, die Schichten bilden­ den Elemente Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen sind; und zwar derart, daß die Gesamtlänge des zu erstellenden Bodens oder Rohres mit der Summe der Dickentoleranz der Elemente schwankt; neben Boden- oder Rohrschwankungen sind ferner im bekannten Fall örtliche Belochungsver­ sätze gegenüber der normalen Profilrohrbeabstandung und -anordnung nicht auszuschließen; durch die massive Formvorgabe der Elemente sind also grundsätzlich Fertigungstoleranzen nicht zu vermeiden und prak­ tisch kaum oder nur mit extrem kostenaufwendiger Nachbearbeitung kor­ rigierbar.

Genannte Belochungsversätze wie aber auch schon geringfügige Belo­ chungsformschwankungen setzen ein mühsames Feinjustieren bzw. Zen­ trieren der betreffenden Rohrenden der Matrix voraus, wobei eine spä­ tere Verlötung der Profilrohrenden mit dem betreffenden Sammel­ rohrboden eine extrem genaue Sitzpassung der Profilrohrenden erzwingt, um örtliche Lotwerkstoffverlagerungen und die damit einhergehenden Abdichtungs- und Festigkeitsprobleme vermeiden zu wollen.

Bei einem aus der DE-PS 33 24 915 bekannten Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherblockes der in Rede stehenden Art sollen die Pro­ filrohre in vorgegebene Durchbrüche einer Hohlform gesteckt werden, die mit Sinterpulver einen Wandabschnitt des Sammelrohres ausbilden, in den die Profilrohrenden fest und gasdicht eingebunden sein sollen.

Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Lösung ist es, daß durch die Hohlform lediglich eine Begrenzungsfläche des zu bildenden Wand­ abschnittes festgelegt ist. Die Wanddicke ist dabei also durch die Pulverschüttmenge vorgegeben, wobei eine Schwierigkeit darin gesehen wird, die Wandstärkentoleranzen gering zu halten. Dies wird vor allem durch die räumlich verhältnismäßig enge Anordnung einer Vielzahl von Profilrohren erschwert.

Ein dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zugrunde liegender bekannter Fall (DE-PS 5 21 654) behandelt eine beim Gießen von Sammelkammern gleichzeitig herzustellende Verbindung mit den jeweils äußeren, hier besonders aufzuweitenden Endabschnitten von Verbindungsrohren eines Radiators. Hierfür benötigt der bekannte Fall ein besonderes, einen Kern und eine Form aufnehmendes Gestell zur örtlichen Positionierung der Verbindungsrohre. Von einem beim Gießen örtlichen Einschmelzen einer äußeren Formschale, die zugleich als Positionier- und Zentrier­ mittel betreffender Profilrohre einer Kreuz-Gegenstrom-Matrix anzu­ sehen wäre, kann im bekannten Fall keine Rede sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren nebst Vorrichtungen zu dessen Durchführung anzugeben, daß bei auf vergleichsweise einfache Weise zu erstellendem Sammelrohrabschnitt bzw. -rohr in vorgegebener Wandstärke die Enden der Profilrohre unter verhältnismäßig geringem Aufwand in genau gewünschter Abstandsdichte gleichzeitig in dem Sammelrohrwerkstoff eingegossen werden können.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren nach der eingangs genannten Art gemäß dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Die Erfindung ermöglicht es, praktisch "in einem Guß", insbesondere im Wege eines Feingußverfahrens, eine Sammelrohrwand in der erforderli­ chen Wandstärke herzustellen und dabei gleichzeitig die Profilrohr­ enden in der erforderlichen gegenseitigen Beabstandung fest und be­ triebssicher in die zu erstellende Wand einzugießen.

Dabei können entweder z. B. rein zylindrische Sammelrohre oder Ab­ schnitte derselben jeweils für sich oder aber in mehrfacher Anzahl im wesentlichen gleichzeitig gefertigt und dabei in ein- oder mehrfacher Anordnung mit den betreffenden Profilrohrenden verbunden werden.

Gemäß der Erfindung gelingt es, eine äußere Formschalenkonfiguration (äußere Lochbleche) vorzusehen, die nach dem Gießen der betreffenden Sammelrohre bzw. Rohrabschnitte nicht in umständlicher Weise zerstört werden muß; das betreffende Lochblech (ursprünglicher Formkörper) soll also beim Gießvorgang oberflächenseitig mit den betreffenden Sammel­ rohrwerkstoff verschmolzen werden. Im Sinne dieses erwähnten Erfin­ dungsgedankens ist es ferner vorteilhaft, daß das durch Gießen, insbe­ sondere Feinguß, erstellte Sammelrohr keinerlei Beschädigungen ausge­ setzt wird, wie dies im allgemeinen als Folge einer örtlichen Zer­ störung einer jeweils äußeren Formschale (Materialzusammenbackung) vielfach nicht auszuschließen ist. Ferner entfällt so, insbesondere im Bereich der betreffenden Profilrohranschlußpartien, eine zusätzliche äußere Schalenbehandlung bzw. mechanische Nachkonturierung.

Ferner trägt die erfindungsgemäße Lochblechkonfiguration als äußere Formschalen dafür Sorge, daß von vornherein, also vor dem Vergießen mit den Profilrohrenden, eine der verlangten räumlichen Profilbeab­ standung gemäß betriebssichere Profilrohrverbindung in die Wege ge­ leitet wird. In Ausgestaltung (Anspruch 2) wird dies als Folge der kernseitigen rasterartigen Zentriersitzflächen zusätzlich unterstützt, die einen Längsanschlag der jeweiligen Profilrohrenden ausbilden.

Bezüglich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Patentansprüche 2 bis 7 verwiesen.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines schematisch dargestellten und für die Durchführung der Erfindung bevorzugt geeigneten Pro­ filrohrwärmetauschers in Kreuz-Gegenstrom-Bauweise und

Fig. 2 die Ausführungsform einer doppelzylindrischen bzw. im we­ sentlichen 8-förmigen Kern-Schalen-Konfiguration mit mehrtei­ liger Außenschale, im Querschnitt dargestellt.

Fig. 1 veranschaulicht einen schematisch dargestellten, zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung ge­ eigneten Profilrohrwärmetauscher. Der Profilrohrwärmetauscher besteht im wesentlichen aus zwei parallel zueinander angeordneten Sammelrohren 1, 2. Von diesen beiden Sammelrohren 1, 2 kragt eine U-förmig umgeboge­ ne Profilrohrmatrix 3 gegen eine Heißgasströmung G aus. Die Pro­ filrohrmatrix besteht aus einzelnen Profilröhrchen mit elliptischem Querschnitt, wie dies aus Fig. 1, unten links im Schnitt, ohne wei­ teres ersichtlich ist. Aus dem Schnittbild ist ferner ersichtlich, daß sich die erwähnte Heißgasströmung G im wesentlichen schlangenlinien­ förmig durch die vorgegebenen Heißgasdurchströmquerschnitte der Matrix hindurchwindet. Dabei sind also die einzelnen Profilrohre 4 hochkant im Bezug auf die betreffende Heißgasströmung G angeordnet. Im Betrieb wird also dem hier oberen Sammelrohr 1 Druckluft D zugeführt, die dann seitlich in die zunächst gradschenkeligen Abschnitte der Matrix 3 einströmt; im äußeren Bereich der Matrix wird dann die Druckluft­ strömung umgelenkt und gelangt über die betreffenden unteren ge­ radschenkeligen Abschnitte der Matrix 3 in das untere Sammelrohr 2, aus dem sie im aufgeheizten Zustande gemäß Pfeil D′ einem geeigneten Verbraucher, z. B. der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes, zuge­ führt werden kann. Mit 5 und 6 sind in Fig. 1 geeignete Abstandshalter der Profilrohre 4 beispielhaft dargestellt.

Es soll nun zumindest ein Abschnitt eines der zuvorgenannten Sammel­ rohre 1, 2 hergestellt und mit Profilrohren 4 der Wärmetauschermatrix 3 fest und fluiddicht verbunden werden können. Dabei soll der betref­ fende Abschnitt des Sammelrohrs 1, 2 durch Gießen, vorzugsweise im Wege eines Feingußverfahrens, hergestellt werden, wobei im Wege dieses Gußverfahrens die Enden der zugeordneten und fertigen Profilrohre 4 in den schmelzflüssig zugeführten Gußwerkstoff gleichzeitig eingebunden werden sollen; vorzugsweise sollen dabei die Enden der Profilrohre 4 im Wege eines beim Gießen auftretenden örtlichen Oberflächenauf­ schmelzens stoffschlüssig mit dem betreffenden Sammelrohrwerkstoff verbunden werden.

Gemäß Fig. 2 soll die äußere Schale zumindest im jeweiligen Ma­ trixanschluß- bzw. Verbindungsbereich als verhältnismäßig dünnes, z. B. gestanztes Lochblech 15, 15′ ausgebildet sein, um so eine geeig­ nete Vorpositionierung und Zentrierung der örtlichen Enden der Pro­ filrohre 4 auszubilden, wobei das betreffende Lochblech 15, 15′ beim Gießvorgang oberflächenseitig in den Sammelrohrwerkstoff einge­ schmolzen wird.

Es besteht also gemäß Fig. 2 die Möglichkeit, die Außenschale mehr­ teilig auszubilden und zusammenzusetzen. Fig. 2 beinhaltet also eine doppelzylindrische Konfiguration, bei der die Außenschale in der Kombination aus in den jeweiligen Matrixverbindungsbereichen ange­ ordneten Lochblechen 15, 15′ und äußeren, gegebenenfalls keramischen Formkörpern 16, 16′, 17 besteht, von denen der eine, 17, zugleich zen­ trales Verbindungsglied zwischen den zylindrischen Sektionen der 8-förmigen bzw. doppelzylindrischen Außenschale 15, 15′, 16, 16′, 17 ist.

Die genannte mehrteilige Ausbildung und Zusammensetzung der Außen­ schale ist selbstverständlich nicht an eine Ausführung gemäß Fig. 2 gebunden, die im zuvorgenannten Sinne doppelzylindrisch bzw. 8-förmig ist. D. h. mit anderen Worten, es können also rein z. B. zylindrische Sammelrohrkonfigurationen jeweils für sich unabhängig voneinander hergestellt und mit den betreffenden Enden der Profilrohre 4 vergossen werden, wobei die betreffende Außenschale dann z. B. ebenfalls im genannten Sinne mehrteilig ausgebildet sein könnte unter Anwendung der zuvor schon erwähnten blechförmigen Außenschalen 15 und der zuge­ hörigen blockartigen Bauteile 16 bzw. 17, mit denen wiederum die ein­ zelnen Außenschalen 15 zu verbinden wären.

Gemäß Fig. 2 unten, rechts - gestrichelt dargestellt - kann ferner auf die jeweiligen Außenwandbereiche der betreffenden Außenschalen 15 bzw. 15′ z. B. eine zusätzliche Keramikschicht 13 aufgebracht werden, um ein Ausfließen des schmelzflüssig zugeführten Gußwerkstoffes zu ver­ hindern.

Gemäß Fig. 2 wird also ein aufwendiges zusätzliches Zerstören der betreffenden Außenschalen nach Fertigstellung der betreffenden Sammel­ rohre 1 bzw. 2 sowie der betreffenden Verbindungen mit der Matrix nicht erforderlich. Die zu Fig. 2 schon erwähnten keramischen einzel­ nen Verbindungsbauteile 16, 17 bzw. 16′ können gegebenenfalls immer wieder bei weiteren Fertigungsprozessen verwendet werden.

Gemäß Fig. 2 enthalten ferner die jeweils äußersten keramischen Blöcke 16 bzw. 16′ trichterförmig sich verengende Öffnungen 11 bzw. 11′, mit denen der Gußwerkstoff schmelzflüssig in betreffende zylindrischen Hohlräume 9 bzw. 9′ eingebracht werden soll.

Zur Durchführung des Verfahrens (Fig. 2) soll zwischen jeweils einem zentralen Formkern 7, 7′ und den jeweils äußeren, als verhältnismäßig dünne Lochbleche 15, 15′ ausgebildeten Schalen jeweils der den Gußwerk­ stoff aufnehmende Hohlraum 9, 9′ ausgebildet sein, in welchen die Enden der Profilrohre 4 hineinragen; dabei werden die betreffenden Hohlräume 9, 9′ zwischen entsprechend ausgerundeten Flächen der keramischen Form­ körper 16, 17, 16′ auf der einen Seite und zugehörigen Außenflächen der betreffenden Formkerne 7, 7′ auf der anderen Seite ausgebildet.

Die als äußere Schalen fungierenden Lochbleche 15, 15′ bilden über die betreffende Belochung Durchgangsöffnungen aus über die die in die Hohlräume 9, 9′ hineinragenden Enden der Profilrohre 4 vorpositioniert und zentriert werden.

Wie ferner aus Fig. 2 erkennbar, kann vorzugsweise die betreffende äußere Oberfläche des jeweiligen zentralen Kerns 7, 7′ mit raster­ artigen Zentriersitzflächen 12, 12′ für die schalenseitig vorpositio­ nierten und gehalterten Enden der Profilrohre 4 versehen werden. Dabei können die Durchgangsöffnungen in den Lochblechen 15, 15′ einen zur Profilrohreinfädelung geeigneten und hinreichend bemessenen Spielsitz ausbilden.

Die als Lochbleche 15, 15′ ausgebildeten äußeren Schalenmittel, insbe­ sondere entlang des die jeweiligen Belochungen bzw. Durchgangsöffnun­ gen enthaltenden äußeren Umfangsbereiches, anstelle schon eingangs erwähnter Spritzschicht 13, mit einer Abdeckhaut oder Zusatzschale ausgekleidet werden; die Spritzschicht 13 kann aus einem geeigneten ingenieurkeramischen Werkstoff gefertigt sein. Nicht nur die genannte Spritzschicht 13, sondern auch die Alternativen (Abdeckhaut, Zusatz­ schale), sollen verhindern, daß Anteile des schmelzflüssig zugeführten Gußwerkstoffs in Regionen außerhalb der betreffenden Schale abfließen.

Aus Fig. 2 erkennt man ferner, daß die zentralen Formkerne 7 bzw. 7′ und die betreffenden Lochbleche 15 bzw. 15′ - als die jeweils äußeren Schalen - und die jeweiligen Hohlräume 9 bzw. 9′ zylindrisch ausgebildet sind. Es ist aber durchaus möglich, anstelle rein zylindrischer Sammel­ rohre, Konfigurationen mehr- oder vieleckiger oder quadratischer Sammel- oder Verteilerrohre herzustellen.

Als Werkstoffe der Sammelrohre 1, 2 und der Profilrohre 4 können hoch-warm-feste Nickel-Chrom-haltige Legierungen verwendet werden. Für die Durchführung des Verfahrens sollte der Schmelzpunkt des Werk­ stoffes für die Sammelrohre 1, 2 etwa 50°C niedriger als derjenige des Werkstoffes für die Profilrohre 4 veranschlagt werden.

Die genannten zentralen Kerne 7, 7′ können gegebenenfalls teilbar aus­ geführt sein, so daß sie wieder verwendbar sind. Sie können vorzugs­ weise aus einem geeigneten ingenieurkeramischen Werkstoff, wie Alumi­ niumoxid, Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid, gefertigt sein.

Ferner besteht die Möglichkeit, die lochblechartigen äußeren Scha­ len aus einem spritzgießfähigen metallischen Werkstoff zu fertigen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauscherblocks, in­ dem mindestens ein Abschnitt eines Sammelrohrs (1) unter gleichzeitiger fester und fluiddichter Verbindung mit Enden vorpositionierter Profilrohre (4) einer Wärmetau­ schermatrix (3) durch Eingießen eines schmelzflüssigen metallischen Werkstoffes in einen zwischen einem zentralen Formkern (7′) und einer äußeren Schale (15) ausgebil­ deten Hohlraum (9) gefertigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - als äußere Schale ein (dünnes) Lochblech (15) verwendet wird, mit dem die Profilrohre (4) an den in den Hohl­ raum (9) hineinragenden Enden vorpositioniert und zentriert werden,
• - das Lochblech (15) beim Gießvorgang oberflächenseitig in den Sammelrohrwerkstoff eingeschmolzen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des zentralen Kerns (7, 7′) mit rasterartigen Zentriersitzflächen (12, 12′) für die Profil­ rohrenden versehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schale entlang des die Belochung enthal­ tenden äußeren Umfangsbereichs mit einer Abdeckhaut, Zusatzschale oder Spritzschicht, insbesondere aus Keramik, ausgekleidet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Kern (7), die äußere Schale (8) und der Hohlraum (9) zylindrisch hergestellt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Kern (7) aus einem ingenieurkeramischen Werkstoff, wie Aluminium­ oxid, Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid gefertigt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schale aus einem spritzgießfähigen metallischen Werkstoff herge­ stellt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, für einen Wärmetauscherblock mit zwei etwa parallel nebeneinander angeordneten Sammel­ rohren (1, 2) und mit diesen ein- und austrittsseitig zu verbindenden Enden der Profilrohre (4) einer Kreuz-Gegen­ strom-Matrix (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Außen­ schale in der Kombination aus in den jeweiligen Matrix­ verbindungsbereichen angeordneten Lochblechen (15, 15′) und äußeren, gegebenenfalls keramischen Formkörpern (16, 16′, 17) zusammengesetzt ist, von denen der eine Form­ körper (17) zentrales Verbindungsglied zwischen zylindri­ schen Sektionen einer 8-förmigen oder doppelzylindrischen Außenschale aus Lochblechen (15, 15′) und Formkörpern (16, 16, 17) für die beiden Sammelrohre (1, 2) ist.