DE4325129A1 - Verfahren zur Wärme übertragenden Befestigung von Einzelrippen auf Rohre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärme übertra­ genden Befestigung von im vorbestimmten Abstand auf Rohre aufgebrachten Einzelrippen gemäß den Merkmalen in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3.

Das Berippen einzelner Rohre mit Einzelrippen zum Zwecke der Bereitstellung von Wärmetauscherrohren hat sich in der Praxis bislang nicht durchgesetzt, weil die einen op­ timalen Wärmeübergang von den von Medien umströmten Ein­ zelrippen auf die Rohre und über die Rohre auf die in den Rohren strömenden Medien bzw. den Wärmeübergang von den inneren Medien über die Rohre und die Einzelrippen auf die äußeren Medien gewährleistenden Bedingungen in dem gewünschten befriedigenden Umfang nicht sichergestellt werden können. Die hiermit verbundenen Schwierigkeiten zeigen sich insbesondere bei im Querschnitt runden Rohren dahingehend, daß nach dem Aufziehen der Einzelrippen auf die Rohre die Einzelrippen sich während der nachfolgenden Transportmaßnahmen, z. B. ins Zinkbad, auf den Rohren ver­ drehen. Ferner ist bislang nicht zu vermeiden, daß, be­ dingt durch die meistens durch das Stanzen vorgegebenen Herstellungstoleranzen, die Einzelrippen in Längsrichtung der Rohre begrenzt abkippen können, so daß die gewünschte flächige Anlage der stutzenartigen Rippenfüße an den Oberflächen der Rohre nicht einzuhalten ist und auch bei einem späteren Verzinken die dadurch entstandenen großen Spalte nicht überbrückt werden können. In diesem Zusam­ menhang ist ferner zu beachten, daß die Einzelrippen durch den Stanzprozeß mit noch vertretbarem wirtschaftli­ chen Aufwand nicht vollkommen eben gefertigt werden kön­ nen. Alle Einzelrippen sind leicht gemuldet. Solange die Einzelrippen aus der Stanze kommend in derselben Position auf ein Rohr gezogen werden, haben sie auch alle dieselbe Relativlage. Ein Verdrehen der gemuldeten Einzelrippen auf den Rohren führt jedoch zu einer Aufhebung der Paral­ lellage und damit zu ungleichmäßigen Rippenabständen. Die Wärmeübergangsbedingungen verschlechtern sich.

Darüberhinaus ist zu berücksichtigen, daß bei mit Wirbel­ füßen versehenen Einzelrippen die Wirbelfüße eine defi­ nierte Lage an den Einzelrippen und damit auch eine be­ stimmte Relativposition zu den Rohren besitzen sollen. Auch diese die Qualität der Wärmeaustauschbedingungen be­ stimmende Lage der Wirbelfüße wird durch das Verdrehen der Einzelrippen auf den Rohren aufgehoben.

Es wäre theoretisch zwar denkbar, die Einzelrippen durch Punktschweißung - ggf. noch in einer Rippenaufziehma­ schine - auf den Oberflächen der Rohre zu fixieren. Eine solche Maßnahme ist jedoch offensichtlich mit einem so hohen Aufwand verbunden, daß eine wirtschaftliche Ferti­ gung auch nicht annähernd gegeben wäre.

In der Praxis ist man zur Behebung der im Vorstehenden geschilderten Eigenarten demzufolge dazu übergegangen, zwei parallel nebeneinander liegende Rohre mit gemeinsa­ men Einzelrippen zu versehen und diese Doppelrohr-Einheit dann zu verzinken. Hiermit ist es zwar möglich, die er­ wähnten Eigenarten zum Teil zu beseitigen; man handelte sich aber jetzt den Nachteil ein, daß die Montage solcher Doppelrohr-Einheiten in die Rohrböden von Wärmeaustau­ schern zu Problemen führt.

Eine Verlagerung der Einzelrippen, insbesondere ein Ver­ drehen, auf den Einzelrohren kann auch durch die Bewegun­ gen des Zinkbads einer Tauchvorrichtung sowie durch die Maßnahmen, die ein solches Zinkbad in Bewegung halten, herbeigeführt werden.

Darüberhinaus sind Wärmetauscherrohre mit schrauben­ linienförmig auf die Oberflächen der Rohre gewickelten Rippenbändern bekannt. Diese Rippenbänder werden dadurch an den Rohren festgelegt, daß die hochkant aufgesetzten Rippenbänder an den Füßen durch eine kontinuierliche La­ serschweißnaht oder durch Hochfrequenzschweißung mit den Rohroberflächen verbunden werden.

Der Erfindung liegt ausgehend von den in den Oberbegrif­ fen der Patentansprüche 1 und 3 angegebenen Merkmalen die Aufgabe zugrunde, das hierdurch umschriebene Verfahren so zu verbessern, daß nach dem Aufziehen der Einzelrippen auf die Rohre jedes einzelne berippte Rohr anschließend problemlos gehandhabt werden kann, ohne daß befürchtet werden muß, daß sich die Einzelrippen auf den Rohren in unzulässiger Weise verlagern können.

Eine Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in den im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Danach wird jetzt die Fixierung der Einzelrippen auf den Rohren durch einen ganz speziell gelenkten Laserschweiß­ strahl herbeigeführt. Die Charakteristik eines Laser­ schweißstrahls, das heißt sein Verlauf zwischen der La­ serquelle und dem Spalt zwischen den miteinander zu ver­ schweißenden Teilen erlaubt es in vorteilhafter Weise, die Einzelrippen quer überfahren zu können, ohne daß diese in irgendeiner Weise verworfen oder sogar beschä­ digt werden. Hierbei kann der Laserschweißstrahl relativ zu den örtlich festgelegten Rohren oder es können die Rohre relativ zu der örtlich orientierten Laserquelle be­ wegt werden. Auch ein kombinierter Bewegungsablaufist denkbar. Bevorzugt bleibt die Laserquelle dauernd akti­ viert.

Werden die Rohre jeweils nur einmal mit einer einzigen Schweißbahn überzogen, kann man gewissermaßen von einer Anheftung der Einzelrippen auf den Rohren sprechen. Die­ ses Anheften genügt, um die Positionen der Einzelrippen auf den Rohren in allen nachgeschalteten Transport- und Handhabungsgängen einschließlich des Verzinkens sicherzu­ stellen. Sie können nicht mehr verdrehen und/oder verkan­ ten.

Das Festlegen der Einzelrippen auf den Rohren kann ggf. noch in einer Rippenaufziehmaschine durchgeführt werden. Die Festlegung kann aber auch in einer nachgeschalteten Schweißstation erfolgen. Darüberhinaus ist es denkbar, daß mehr als eine Schweißbahn gelegt wird, um insbeson­ dere auch bei starken ruckartigen Beanspruchungen der zu transportierenden berippten Rohre auf jeden Fall die Fixierung der Einzelrippen auf den Rohren zu ge­ währleisten. Solche zusätzlichen Schweißbahnen können beispielsweise in zweifacher Ausfertigung bei 180° Dre­ hung der Rohre oder mit vier Schweißbahnen bei jeweils 90° Drehung der Rohre erzeugt werden.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß nunmehr Einzelrippen und Rohre aus Materialien zusammen­ gefügt werden können, die bislang mit den herkömmlichen Schweißverfahren und Festlegungsmethoden unter wirt­ schaftlichen Bedingungen nicht kombinierbar sind.

Die besonderen Vorteile der Erfindung zeigen sich bei runden Rohren, weil hier die Gefahr der Verdrehung der Einzelrippen am größten ist. Die Erfindung kann aber ohne weiteres auch bei ovalen Rohren oder Rohren mit anderen Querschnitten angewandt werden. Die Außenkonturen der Rippen sind beliebig. Sie können rund, oval oder eckig sein.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorbeschriebenen Lö­ sung des erfindungsgemäßen Grundgedankens wird in den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gesehen. Danach werden mindestens zwei nebeneinander liegende Rohre mit diese Rohre verbindenden Einzelrippen versehen. Anschließend wird der Laserschweißstrahl in Längsrichtung über die Rohre geführt und es werden auf diese Weise die Einzel­ rippen mit jedem der Rohre verbunden. Danach erfolgt eine Trennung der Einzelrippen dahingehend, daß unabhängige Einzelrohre mit einzelnen Rippen entstehen. Das Durch­ trennen der Einzelrippen erfolgt mit einem Lasertrenn­ strahl, der mittig in den Vertikalebenen zwischen den Rohren geführt wird. Die so gebildeten Einzelrohre werden dann anschließend im Bad verzinkt. Selbstverständlich ist es auch bei dieser Ausgestaltung möglich, mehr als eine Schweißbahn zu ziehen und auf diese Art und Weise die Einzelrippen auf den Rohren festzulegen.

Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 3.

Diese Lösung zielt darauf ab, die Einzelrippen wärmelei­ tend so an den Oberflächen der Rohre zu fixieren, daß eine Badverzinkung entbehrlich ist. Zu diesem Zweck wird der Laserschweißstrahl zunächst in Längsrichtung der Rohre geführt. Am Ende der Schweißbahn werden die Rohre um n/360° um ihre Längsachsen gedreht. Dann wird der La­ serschweißstrahl in Längsrichtung der Rohre bis zum Aus­ gangspunkt zurück geführt und anschließend werden die Rohre wiederum um n/360° gedreht, so daß der Laser­ schweißstrahl eine weitere Schweißbahn in Richtung auf die gegenüberliegenden Rohrenden legen kann. Um wieviel Grad die Rohre nach Vollendung einer Schweißbahn jeweils gedreht werden, hängt z. B. von dem Einsatzzweck der Rohre, d. h. der erwarteten Wärmeleistung der Einzelrippen auf den Rohren sowie vom Durchmesser der Rohre ab. Jeden­ falls kann mit Hilfe einer solchen Festlegung der Einzel­ rippen eine quasi flächige Verbindung der Einzelrippen mit den Rohroberflächen erzielt werden, so daß der Auf­ wand für das Badverzinken nicht mehr erforderlich ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Rohre örtlich zu fixieren und die Laserquelle um die Rohre zu ver­ lagern.

In vorteilhafter Ausgestaltung dieser zweiten Erfindungs­ lösung ist gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 4 vor­ gesehen, daß die Rohre am Ende jeder Schweißbahn um etwa 5° um ihre Längsachsen gedreht werden oder daß die Laser­ quelle um die Rohre verlagert wird.

Die Merkmale des Patentanspruchs 5 erlauben eine Verkür­ zung der Schweißzeit zur Festlegung der Einzelrippen. Mit dieser Verfahrensweise ist es folglich möglich, gleich­ zeitig zwei Schweißbahnen zu legen. In diesem Zusammen­ hang ist es denkbar, den Laserschweißstrahl ggf. mehrfach zu teilen. Bevorzugt wird eine geradzahlige Teilung, wie z. B. eine vierfache Teilung, so daß gleichzeitig vier um 90° zueinander versetzte Schweißbahnen gelegt werden kön­ nen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnun­ gen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in der Ansicht, teilweise im Schnitt, ein mit Einzelrippen versehenes Rohr sowie eine sche­ matisierte Laserschweißstrahl-Anlage;

Fig. 2 ebenfalls in der Ansicht, teilweise im Schnitt, ein mit Einzelrippen versehenes Rohr zusammen mit einer schematisierten Laser­ schweißstrahl-Anlage gemäß einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 3 in der Draufsicht, teilweise im Längsschnitt, zwei durch Einzelrippen miteinander verbun­ dene Rohre zusammen mit einer schematisierten Lasertrennstrahl-Anlage.

Mit 1 ist in den Fig. 1 und 2 ein im Querschnitt kreisrundes Rohr bezeichnet. Auf das Rohr 1 sind in der Konfiguration kreisrunde Einzelrippen 2 in gleichmäßigem Abstand A aufgezogen. Die Einzelrippen 2 besitzen stut­ zenartige Rippenfüße 3, mit welchen sie an der äußeren Oberfläche 4 des Rohrs 1 anliegen.

Das Rohr 1 in der Position gemäß den Fig. 1 und 2 kann sich noch in einer nicht näher dargestellten Rippenauf­ ziehmaschine befinden. Vorstellbar ist aber auch, daß das Rohr 1 aus einer Rippenaufziehmaschine herausgehoben und in einer ebenfalls nicht näher dargestellten benachbarten Schweißstation liegt.

Die Schweißstation gemäß der Ausführungsform der Fig. 1 umfaßt eine Laserschweißstrahl-Anlage 5 mit einer Laser­ quelle 6 für einen Laserschweißstrahl LSS. Dieser Laser­ schweißstrahl LSS dient zur Fixierung der Einzelrippen 2 auf dem Rohr 1.

Zu diesem Zweck wird der Laserschweißstrahl LSS bei ru­ hendem Rohr 1 sowohl im wesentlichen auf die Längsachse 7 des Rohrs 1 ausgerichtet als auch auf den Spalt zwischen den Rippenfüßen 3 und der Oberfläche 4 des Rohrs 1 fokus­ siert.

Anschließend wird die Laserquelle 6 gemäß der in durchge­ zogener Linienführung 8 gekennzeichneten Schweißbahn in Längsrichtung über das Rohr 1 und über die Einzelrippen 2 hinweggeführt, so daß mittels des Laserschweißstrahls LSS die Einzelrippen 2 am Rohr 1 fixiert werden.

Nach der Fixierung der Einzelrippen 2 am Rohr 1 wird dann die Laserquelle 6 entsprechend der in unterbrochener Linienführung 9 gezeichneten Bahn in eingeschaltetem Zu­ stand an den Ausgangspunkt zurückbewegt.

Die Endpunkte der Bewegungsbahnen 8, 9 für die Laser­ quelle 6 sind durch Endschalter 10, 11 gekennzeichnet.

Hat die Laserquelle 6 ihren Ausgangspunkt wieder er­ reicht, kann das mit den Einzelrippen 2 bestückte Rohr 1 in nicht näher veranschaulichter Weise einem ebenfalls nicht näher dargestellten Zinkbad zugeführt werden.

Gemäß einer weiteren aus der Fig. 1 erkennbaren Ausfüh­ rungsform ist es möglich, nach der Ausrichtung des Laser­ schweißstrahls LSS auf die Längsachse 7 des Rohrs 1 und der Fokussierung auf den Spalt zwischen den Rippenfüßen 3 und der Oberfläche 4 des Rohrs 1 die Laserquelle 6 zunächst gemäß der Schweißbahn 8 in Längsrichtung über das Rohr 1 hinwegzuführen. Hat die Laserquelle 6 den End­ schalter 10 erreicht, wird die Längsbewegung der Laser­ quelle 6 gestoppt und das Rohr 1 beispielsweise um 5° entsprechend dem Pfeil PF um die Längsachse 7 gedreht. Danach wird die eingeschaltet bleibende Laserquelle 6 wieder an den Ausgangspunkt zurückgeführt und eine zweite Schweißbahn 8 gelegt. Bei Erreichen des Endschalters 11 wird wiederum die Bewegung der Laserquelle 6 gestoppt und das Rohr 1 nochmals um 5° um seine Längsachse 7 gedreht. Dies kann so häufig durchgeführt werden, bis das Rohr 1 einmal um seinen kompletten Umfang gedreht worden ist. Auf diese Weise sind die Einzelrippen 2 durch insgesamt 72 Schweißbahnen umfangsseitig des Rohrs 1 festgelegt worden, was im Wärme übertragenden Sinne quasi gleich­ zusetzen ist mit einer flächigen Anlage der Rippenfüße 3 an der Oberfläche 4 des Rohrs 1. Eine derartige Verbin­ dung der Einzelrippen 2 mit der Oberfläche 4 des Rohrs 1 gestattet es dann, auf ein Verzinken des Rohrs 1 verzich­ ten zu können, ohne hierbei die Wärmeübergangsbedingungen von den Einzelrippen 2 auf das Rohr 1 und umgekehrt zu beeinträchtigen.

Die Kupplungen der nicht näher dargestellten Vorrichtung zum Drehen des Rohrs 1 um seine Längsachse sind mit 12 bezeichnet.

In der Fig. 2 ist eine Verfahrensvariante -unter Verwen­ dung einer Laserschweißstrahl-Anlage 5′ dargestellt, bei welcher ein Laserschweißstrahl LSS zunächst im we­ sentlichen senkrecht auf die Längsachse 7 eines im Quer­ schnitt runden Rohrs 1 ausgerichtet wird. Dieser Laser­ schweißstrahl LSS wird dann in einer Laserstrahlteiler­ einrichtung 13 geteilt. Der eine Teilschweißstrahl TSS1 wird direkt auf den Spalt zwischen den Rippenfüßen 3 und der Oberfläche 4 des Rohrs 1 fokussiert. Der andere Teilschweißstrahl TSS2 wird an dem Rohr 1 vorbei bis zu einer Laserstrahlumlenkeinrichtung 14 geführt, hier umgelenkt und dann auf die Längsachse 7 des Rohrs 1 gerichtet sowie auf den Spalt zwischen den Rippenfüßen 3 und der Oberflä­ che 4 des Rohrs 1 fokussiert.

Wird nunmehr die Laserquelle 6 über das Rohr 1 bewegt, so werden gleichzeitig zwei Schweißbahnen 8 erzeugt.

Bei Bedarf kann auch bei dieser Verfahrensvariante mit Hilfe der Rohrdrehvorrichtung 12 eine an sich beliebige Anzahl weiterer Schweißbahnen 8 erzeugt werden. Hierbei ist es dann vorgesehen, daß jeweils bei Erreichen eines der beiden Endschalter 10, 11 durch die Laserquelle 6 das Rohr 1 gemäß dem Pfeil PF um n/360° gedreht wird.

Aus der Fig. 3 ist eine Variante ersichtlich, bei wel­ cher zwei parallel nebeneinander liegende Rohre 1 kreis­ runden Querschnitts mit gemeinsamen Einzelrippen 2′ ver­ sehen werden. Auch diese Rohre 1 können sich noch in ei­ ner Rippenaufziehmaschine befinden.

Anschließend wird ein Laserschweißstrahl LSS gemäß Fig. 1 über jedes der Rohre 1 geführt, so daß auf diese Weise die Einzelrippen 2′ an den Rohren 1 fixiert werden.

Im Anschluß daran werden dann mit Hilfe eines Lasertrenn­ strahls LTS, der in einer vertikalen Ebene E-E mittig zwischen den Rohren 1 hindurchgeführt wird, die Einzel­ rippen 2′ geteilt, so daß dann zwei Einzelrohre 1 mit darauffixierten Einzelrippen 2 vorliegen, die anschlie­ ßend einem Zinkbad zugeführt werden können.

Bezugszeichenliste

1 Rohr
2 Einzelrippen
2′ Einzelrippen
3 Rippenfüße
4 Oberfläche v. 1
5 Laserschweißstrahl-Anlage
5′ Laserschweißstrahl-Anlage
6 Laserquelle
7 Längsachsen v. 1
8 Schweißbahnen
9 Bahn
10 Endschalter
11 Endschalter
12 Kupplungen
13 Laserstrahlteilereinrichtung
14 Laserstrahlumlenkeinrichtung
A Abstand v. 2
E-E Ebene
LSS Laserschweißstrahl
LTS Lasertrennstrahl
PF Pfeil
TSS1 Teilschweißstrahl
TSS2 Teilschweißstrahl

Claims (5)

1. Verfahren zur Wärme übertragenden Befestigung von im vorbestimmten Abstand (A) auf Rohre (1) aufgebrachten Einzelrippen (2) mit die Rohre (1) auf mindestens ei­ nem Teil ihres Umfangs umgreifenden stutzenartigen Rippenfüßen (3), dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Laserschweißstrahl (LSS) im wesentlichen senkrecht auf die Längsachsen (7) der berippten Rohre (1) ausgerichtet sowie auf die Spalte zwischen den Rippenfüßen (3) und den Oberflächen (4) der Rohre (1) fokussiert oder tangential auf die Spalte zwischen den Rippenfüßen (3) und den Oberflä­ chen (4) der Rohre (1) ausgerichtet wird, worauf der Laserschweißstrahl (LSS) mindestens einmal in Längs­ richtung relativ zu den Rohren (1) geführt und die Rohre (1) danach badverzinkt werden.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei par­ allel nebeneinander liegende Rohre (1) mit gemeinsa­ men Einzelrippen (2′) versehen werden und anschlie­ ßend der jeweils auf die Längsachsen (7) der beripp­ ten Rohre (1) ausgerichtete sowie auf die Spalte fo­ kussierte Laserschweißstrahl (LSS) mindestens einmal in Längsrichtung relativ zu jedem Rohr (1) geführt wird, worauf die Einzelrippen (2′) zwischen den bei­ den Rohren (1) mittels Lasertrennstrahlen (LTS) ge­ teilt und danach die vereinzelten Rohre (1) badver­ zinkt werden.

3. Verfahren zur Wärme übertragenden Befestigung von im vorbestimmten Abstand (A) auf Rohre (1) aufgebrachten Einzelrippen (2) mit die Rohre (1) auf mindestens ei­ nem Teil ihres Umfangs umgreifenden stutzenartigen Rippenfüßen (3), dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Laserschweißstrahl (LSS) im wesentlichen senkrecht auf die Längsachsen (7) der berippten Rohre (1) ausgerichtet sowie auf die Spalte zwischen den Rippenfüßen (3) und den Oberflächen (4) der Rohre (1) fokussiert oder tangential auf die Spalte zwischen den Rippenfüßen (3) und den Oberflä­ chen (4) der Rohre (1) ausgerichtet wird, worauf der Laserschweißstrahl (LSS) relativ zu den Rohren (1) über deren gesamte Länge hin und her geführt und die Rohre (1) relativ zur Laserquelle (6) am Ende jeder Schweißbahn (8) n/360° um ihre Längsachsen (7) ge­ dreht werden.

4. Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (1) am Ende jeder Schweißbahn (8) um etwa 5° um ihre Längsachsen (7) gedreht werden.

5. Verfahren nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserschweiß­ strahl (LSS) nach dem Verlassen der Laserquelle (6) mindestens zweigeteilt wird, worauf ein Teilschweiß­ strahl (TSS1) direkt auf die Längsachsen (7) der be­ rippten Rohre (1) ausgerichtet und auf die Spalte fo­ kussiert wird, während der andere Teilschweißstrahl (TSS2) an den Rohren (1) vorbei auf die gegenüberlie­ genden Seiten der Rohre (1) geführt, hier umgelenkt und dann auf die Längsachsen (7) der Rohre (1) ge­ richtet wird.