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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Plattenwärmetauschers aus einer Vielzahl rechteckiger Trennbleche, die stapelförmig voneinander beabstandet angeordnet werden, so dass sich zwischen den Trennblechen Passagen ausbilden, wobei die Passagen an mindestens zwei Seiten durch Abstandshalter (Sidebars) begrenzt werden, an den Kontaktstellen zwischen Trennblechen und Sidebars ein Lötmittel aufgetragen wird, die stapelförmig angeordneten Trennbleche und Sidebars zu einem Block verlötet werden und auf dem Block Mittel zur Zu- und Abführung (Header) von Fluiden angebracht werden. Die Erfindung wird anhand eines Plattenwärmetauschers aus Aluminium beschrieben, ist aber prinzipiell für die Herstellung eines beliebigen Wärmetauschers anwendbar, der die Merkmale gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 aufweist. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung zur Herstellung von Plattenwärmetauschern aus Edelstahl oder hochwarmfestem Stahl geeignet, welche auf dem sogenannten Stab-Platte-Prinzip beruhen.
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Üblicherweise bestehen Plattenwärmetauscher aus Aluminium zum Wärmeaustausch zwischen mindestens zwei Medien aus einer Vielzahl stapelförmig angeordneter Passagen, welche durch Trennbleche voneinander getrennt sind. Die einzelnen Passagen sind prinzipiell ähnlich und parallel angeordnet. Der Wärmeaustausch zwischen den am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien findet dabei zwischen benachbarten Passagen statt, wobei die Passagen und somit die Medien bzw. Druckräume durch Bleche, üblicherweise als Trennbleche bezeichnet, voneinander getrennt sind. Der Wärmeaustausch erfolgt mittels Wärmeübertragung über die Trennbleche.
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Nach dem Stand der Technik existiert innerhalb der einzelnen Passagen eine wellenförmige Struktur, die die Kanäle zur Führung des Mediums bildet. Die Wellenberge der wellenförmigen Struktur sind mit den jeweils benachbarten Trennblechen verbunden. Die am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien sind somit im direkten Wärmekontakt mit den wellenförmigen Strukturen, so dass der Wärmeübergang durch den thermischen Kontakt zwischen den Wellenbergen und den Trennblechen gewährleistet ist. Zur Optimierung der Wärmeübertragung wird die Ausrichtung der wellenförmigen Struktur in Abhängigkeit vom Anwendungsfall so gewählt, dass Gleich-Kreuz-Gegen- oder Kreuz-Gegenströmung zwischen benachbarten Passagen ermöglicht wird. Ein derartiger Wärmetauscher ist auch in der
DE 103 43 107 beschrieben.
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Die wellenförmigen Strukturen innerhalb der Passagen erfüllen drei Aufgaben. Zum einen wird durch den thermischen Kontakt zwischen der wellenförmigen Struktur und dem Trennblech der Wärmeaustausch zwischen zwei Medien in benachbarten Passagen gewährleistet. Zum anderen stellen die wellenförmigen Strukturen die Verbindung zum Trennblech her. Zum Dritten dienen die Flanken der wellenförmigen Struktur zur Einleitung der, durch den Innendruck entstehenden, Kräfte in die Verbindung zwischen Wellenberg, Lot und Trennblech.
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Nach dem Stand der Technik werden die wellenförmigen Strukturen durch zumindest teilweise wellenförmig profilierte Bleche gebildet. Die zumeist dünnen Bleche werden mit einer Presse oder anderen zur Verformung geeigneten Werkzeuge zu wellenförmigen Strukturen gefaltet. Eine andere wellenförmige Struktur nach dem Stand der Technik wird in der, unter dem Aktenzeichen
DE 10 2009 018 247 beim Deutschen Patent- und Markenamt anhängigen, Patentanmeldung der Anmelderin beschrieben. Hier werden die wellenförmigen Strukturen durch Profile, wie beispielsweise Hohlprofile mit rechteckigem Querschnitt, gebildet.
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Derartige Plattenwärmetauscher werden nach dem Stand der Technik wie folgt hergestellt. Die im Wesentlichen rechteckigen Trennbleche werden stapelförmig voneinander beabstandet angeordnet, so dass sich zwischen den Trennblechen Passagen ausbilden, durch die die am Wärmeaustausch teilnehmenden Fluide strömen können. Zur Beabstandung werden an mindestens zwei Seiten Abstandshalter, sogenannte Sidebars, zwischen die Trennbleche eingebracht. Bei der Herstellung eines Plattenwärmetauschers mit wellenförmig strukturierten Passagen werden immer abwechselnd die zumindest teilweise wellenförmig profilierten Bleche und die Trennbleche gestapelt bzw. es wird jeweils auf eine Lage von nebeneinander angeordneten Profilen ein Trennblech aufgelegt. Die Höhe der Profile bzw. die Strukturtiefe der zumindest teilweise wellenförmig profilierten Bleche entspricht dabei der Höhe der Abstandshalter. Trennbleche, Sidebars und zumindest teilweise wellenförmig profilierte Bleche bzw. Profile werden an ihren jeweiligen Kontaktstellen mit einem Lötmittel versehen. Der auf diese Art und Weise entstehende Stapel wird als Ganzes zu einem im Wesentlichen quaderförmigen Block in einem Lötofen verlötet. Der Block ist dabei zumeist durch Deckbleche, d. h. Bleche mit größerer Dicke als die Trennbleche, nach außen begrenzt. In einem letzten Schritt wird der so entstandene Block mit Mitteln zur Zu- bzw. Abführung der am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien versehen. Diese sogenannten Header sind zumeist halbzylinderförmig und werden an den entsprechenden Stellen auf den Wärmetauscherblock aufgeschweißt. Sie dienen dem Sammeln und Verteilen der am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien.
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Ein derartiger Plattenwärmetauscher nach dem Stand der Technik besteht häufig aus einzelnen Modulen. Unter einem Modul wird im Rahmen dieser Anmeldung ein im Wesentlichen quaderförmiger Block verstanden, der auf die oben beschriebene Art hergestellt wurde. Bei derartigen Plattenwärmetauschern erstrecken sich die Header häufig über mehrere Module.
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Beim Anschweißen der Header wird nach dem Stand der Technik zumeist erst eine sogenannte Pufferlage aufgebracht. Diese Pufferlage ist eine Schweißnaht, die als Schweißgrundlage für die Header auf die Blöcke aufgeschweißt wird, dabei die unterschiedlichen Toleranzen der einzelnen Blöcke ausgleicht und zum Auffangen der beim Schweißen entstehenden thermischen Spannungen dient.
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Bei einigen Anwendungen derartiger Plattenwärmetauscher ergibt sich die Notwendigkeit, die Header in mehr oder weniger regelmäßigen Zeitabständen zu entfernen. Dies ist beispielsweise dann notwendig, wenn derartige Plattenwärmetauscher als Reaktoren eingesetzt werden. In diesen Anwendungsfällen werden die Passagen häufig mit Katalysatormaterial gefüllt. Dieses Katalysatormaterial muss zur Regenerierung in regelmäßigen Zeitabständen aus den Passagen entfernt werden. Dies macht eine Entfernung der Header in regelmäßigen Abständen notwendig. Nach dem Stand der Technik werden die Header mittels mechanischer Trennverfahren, zum Beispiel Trennschleifen oder Fräsen, entfernt und nach der Entnahme des verbrauchten Katalysatormaterials aus dem Plattenwärmetauscher und dem Wiederbefüllen mit frischem Katalysatormaterial wieder aufgeschweißt.
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Es hat sich gezeigt, dass sich bei derartigen Plattenwärmetauschern grundsätzlich Probleme beim Aufschweißen von Headern an den Übergängen zwischen Sidebars und Trennblech durch das dazwischen liegende Lotmaterial ergeben und außerdem mit zunehmender Betriebsdauer Probleme in der Dichtigkeit auftreten.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers der eingangs erwähnten Art derart auszugestalten, dass die Dichtigkeit und mechanische Stabilität des derart hergestellten Plattenwärmetauschers auch in Anwendungsfällen, die ein häufiges Entfernen und Wiederanbringen der Header bedingen, erhalten bleibt.
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Die vorliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Plattenwärmetauschers gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens werden in den Unteransprüchen gegeben.
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Erfindungsgemäß werden die Header nicht direkt auf den Wärmetauscherblock geschweißt, sondern an ein Zwischenstück angeschweißt, welches vorher auf den Block gelötet wurde. Bei einem Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik werden die Header direkt oder über eine Pufferlage auf den Wärmetauscherblock geschweißt. Es hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, dass dieses direkte Schweißen auf die Lötstellen des Wärmetauscherblocks die Probleme im Bezug auf die Dichtigkeit und mechanische Stabilität des Plattenwärmetauschers verursacht. Durch den hohen, für das Schweißen notwendigen, Wärmeeintrag wird das Lot in der unmittelbaren Umgebung des Schweißvorgangs teilweise wieder flüssig, wodurch die Lötstellen durch das Schweißen geschädigt werden. Dies verursacht Probleme bei der Dichtigkeit und mechanischen Stabilität des Wärmetauschers. Die Probleme treten insbesondere bei Plattenwärmetauschern auf, deren Anwendung ein häufiges Entfernen und Wiederanschweißen der Header notwendig macht. Durch das erfindungsgemäße Zwischenstück werden diese Probleme vermieden. Das erfindungsgemäße Verwenden eines Zwischenstückes verhindert, dass das Lot des Blockes beim Anschweißen flüssig wird. Die mechanische Spannungen, die durch den Wärmeeintrag des Schweißvorgangs oder bei der mechanischen Entfernung der Header entstehen, werden nicht auf den Wärmetauscherblock übertragen. So bleibt die Dichtigkeit und mechanische Stabilität des Plattenwärmetauschers auch nach mehrmaliger Entfernung und Installation der Header erhalten. Das Zwischenstück kann dabei entweder direkt auf den Stapel vor dem ersten Lötvorgang aufgebracht werden, sodass der Wärmetauscherblock nach dem Löten direkt die Zwischenstücke zum Anbringen des Headers enthält. Alternativ ist das Anbringen der Zwischenstücke auch in einem zweiten Lötvorgang möglich. Dies gilt insbesondere, wenn der resultierende Plattenwärmetauscher aus mehreren Modulen besteht.
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Bei einem Block, der aus mehreren Modulen besteht, werden die einzelnen Module auf ein gemeinsames Endmaß mechanisch bearbeitet. Anschließend werden an jedem einzelnen Modul die Zwischenstücke angelötet, wobei die Zwischenstücke hier auch als zusätzliches Element zum Verbinden der Module mittels Schweißung dienen.
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Bevorzugt werden in die Passagen vor dem Lötvorgang zumindest teilweise wellenförmig profilierte Bleche oder Profile eingebracht, welche an den Kontaktstellen mit den Trennblechen mit einem Lötmittel versehen sind. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung lassen sich Plattenwärmetauscher mit wellenförmig strukturierten Passagen herstellen. Dabei werden jeweils abwechselnd Trennbleche und zumindest teilweise wellenförmig profilierte Bleche bzw. Lagen aus einzelnen Profilen aufeinander gestapelt und an den Kontaktstellen mit Lötmittel versehen. Der entstandene Block ist vorteilhafterweise an mindestens einer Seite mit einem Deckblech abgeschlossen, wobei das Deckblech eine größere Dicke als die Trennbleche aufweist. Alternativ können auch zwei Trennbleche übereinander als Deckblech verwendet werden.
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Vorteilhafterweise wird das Zwischenstück in der Form des Headers ausgeführt. Bevorzugt wird als Zwischenstück ein Rahmen verwendet. Die Header haben zumeist die Form eines Halbzylinders. Daher werden in dieser Ausgestaltung der Erfindung Rahmen als Zwischenstücke verwendet, die in Form eines Rechteckes der Grundkontur der Halbzylinder entsprechen. Die Rahmen werden dabei vorteilhafterweise entweder durch Ausschneiden aus einer ebenen Blechplatte oder durch das Aneinanderschweißen von Flachmaterial zu einem Rahmen mit anschließender mechanischer Bearbeitung hergestellt. Durch die geeignete Dimensionierung des Rahmens kann dabei der thermische und mechanische Einfluss, welcher durch den Schweißvorgang des Headers bzw. durch die mechanische Entfernung des Headers entsteht, minimiert werden. Die Größe des Rahmens wird dabei der Größe des Blockes und des Headers angepasst. Die Breite des Rahmens entspricht dabei vorteilhafterweise der Breite der Sidebars. Bevorzugt werden Rahmen mit einer Dicke zwischen 6 mm und 10 mm verwendet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Form des Zwischenstückes aus dem Block ausgefräst, das mit Lötmittel versehene Zwischenstück in den ausgefrästen Teil des Blockes eingepasst, bevorzugt mittels Punktschweißen angeheftet, und anschließend mit dem Block verlötet. In dieser Ausgestaltung der Erfindung wird vorteilhafterweise die Kontur des Zwischenstückes ausgefräst. Werden z. B. Rahmen als Zwischenstück verwendet, wird an dem Block die Form des Rahmens ausgefräst. In den ausgefrästen Teil des Blockes wird der Rahmen eingepasst, und bevorzugt mittels Punktschweißheftung befestigt. Zum Verlöten des Rahmens wird bevorzugt das gleiche Lot verwendet, welches beim Verlöten des gesamten Blockes verwendet wurde. An Stelle des Ausfräsens der Kontur des Zwischenstückes können auch andere spanabhebende mechanische Verfahren eingesetzt werden.
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Vorteilhafterweise wird das Zwischenstück auf sogenannten Dummy-Passagen angeordnet, die im späteren Gebrauch des Plattenwärmetauschers nicht von Fluiden durchströmt werden. Die Verwendung von nur einem Lötmittel zur Herstellung des Plattenwärmetauschers ist ebenfalls zweckmäßig.
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Besonders bevorzugt werden die Trennbleche, die Deckbleche, die zumindest teilweise profilierten Bleche, die Profile, das Zwischenstück und/oder die Header aus Edelstahl oder einem hochwarmfesten Stahl, bevorzugt Molybdänstahl oder Chrom-Nickel-Stahl, ausgeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung von Plattenwärmetauschern aus Edelstahl oder hochwarmfestem Stahl. Derartige Plattenwärmetauscher werden in unterschiedlichen Prozesssegmenten in Luftzerlegungsanlagen, petrochemischen Anlagen, Wasserstoffanlagen oder Erdgasanlagen, eingesetzt. In Erdgasanlagen wird über derartige Plattenwärmetauscher Erdgaswärme entzogen und das Erdgas dadurch verflüssigt und von den Nebenprodukten abgetrennt. Auch in Synthesegasanlagen kann ein derartiger Plattenwärmetauscher unter anderem zur Abtrennung und zur weiteren Verwertung von Stoffen (H2, CO, CO2, CH4) oder zur Vorwärmung der Einsatzstoffe eingesetzt werden. In Ethylenanlagen werden derartige Plattenwärmetauscher zur Abtrennung von Ethylen eingesetzt, in Luftzerlegungsanlagen finden Plattenwärmetauscher Anwendung als Kondensator und Verdampfer.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung werden Zwischenstück und/oder Header aus einem anderen Material ausgeführt als die restlichen Teile des Plattenwärmetauschers. Es hat sich gezeigt, dass der Schweißvorgang bei einem Chrom-Nickel-Stahl einfacher ausführbar ist als bei Edelstahl. Daher ist es vorteilhaft auch bei einem Plattenwärmetauscher aus Edelstahl das Zwischenstück und/oder den Header aus Chrom-Nickel-Stahl auszuführen.
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Vorteilhafterweise variiert die Dicke der Trennbleche innerhalb des Blockes bei einem Plattenwärmetauscher aus Edelstahl oder einem hochwarmfesten Stahl, bevorzugt Molybdänstahl oder Chrom-Nickel-Stahl. Bei einem derartigen Plattenwärmetauscher ist das Sinkmaß aufgrund Lotschichtdicken klein, wodurch durch die Variierung der Trennblechdicke der Materialverbrauch optimiert werden kann.
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Mit der vorliegenden Erfindung gelingt es insbesondere, ein Verfahren zum Herstellen eines Plattenwärmetauschers derart auszugestalten, dass der derart hergestellte Plattenwärmetauscher eine hohe Dichtigkeit und mechanische Stabilität aufweist. Dies gilt insbesondere auch bei Plattenwärmetauschern, deren Anwendung ein häufiges Entfernen und erneutes Anschweißen der Header erfordert.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 einen Plattenwärmetauscher hergestellt nach einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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2 den Block des Plattenwärmetauscher aus 1 im Detail.
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1 zeigt einen Plattenwärmetauscher 1 wie er gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wird. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung werden zumindest teilweise wellenförmig profilierte Bleche 9 und Trennbleche 10 nebst Sidebars 11 derart übereinander gestapelt, mit Lotmittel versehen und verlötet, dass ein Block 2 entsteht. Nach außen wird der Block durch die Deckbleche 12 abgeschlossen. Auf dem so entstandenen Block 2 werden an den jeweiligen Positionen 4 die Konturen der Zwischenstücke 3 herausgefräst. Als Zwischenstücke 3 werden in dieser Ausgestaltung der Erfindung Rahmen verwendet. Die Rahmen 3 werden in den Ausfräsungen an den Positionen 4 positioniert, mit Lötmittel versehen und mittels Punktschweißen angeheftet. Anschließend werden in einem zweiten Schritt die Rahmen 3 auf den Wärmetauscherblock 2 gelötet. Auf die Rahmen 3 werden jeweils die Header 5a und 5b geschweißt. Der derart hergestellte Wärmetauscher 1 dient dem Wärmeaustausch zwischen zwei verschiedenen Fluiden, die jeweils über die Header 5a und 5b zu- bzw. abgeführt werden. Die Header 5a, 5b weisen noch Anschlussstutzen 8 auf, wo der Plattenwärmetauscher 1 mit der Anlage verbunden wird. Zusätzlich werden an den Wärmetauscher 1 noch Befestigungen 6 und Leisten 7 angebracht, um den Wärmetauscher 1 mit der Umgebung in der Anlage zu verbinden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10343107 [0003]
- DE 102009018247 [0005]