DE4023029C2 - Verfahren zum aufeinanderfolgenden Herstellen von Wärmetauscherelementen für einen Sonnenkollektor und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum aufeinanderfolgenden Herstellen von Wärmetauscherelementen für einen Sonnenkollektor der im Oberbegriff von Anspruch 1 erläuterten Art und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung gemäß Anspruch 9.

Ein derartiges Verfahren ist aus dem DE-GM 80 11 238 bekannt. Das bekannte Wärmetauscherelement besteht aus einem einfachen, dünnen Kupferblech, in das der Kanal für das Arbeitsmedium eingeformt wurde. Durch die geringe Blechdicke erfordert weder das Biegen noch der Lötvorgang einen größeren Energieaufwand zum Vor- bzw. Aufwärmen. Andererseits ist jedoch der Wirkungsgrad von Wärmetauscherelementen mit einer derart geringen Wandstärke entsprechend gering.

Aus dem DE-GM 85 23 387 ist ein Wärmetauscherelement für Sonnenkollektoren bekannt, das eine zumindest im Bereich des Kanals für das Arbeitsmedium erhöhte Wandstärke aufweist. Diese erhöhte Wandstärke mußte jedoch aus fertigungstechnischen Gründen durch dachziegelartig übereinanderliegende Einzelplatten unter Verwendung konventioneller Verfahren erreicht werden, was recht kostenintensiv ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Art und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen, mit dem Wärmetauscherlemente für Sonnenkollektoren mit hohem Wirkungsgrad auf wirtschaftliche Weise hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 9 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, Wärmetauscherelemente aus relativ dickwandigen Kupferplatten kostengünstig und einfach zu fertigen. Die dazu verwendete Vorrichtung ist klein und mobil und kann somit auch außerhalb des Herstellungswerkes eingesetzt werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Reihe der zum Herstellen der erfindungsgemäßen Wärmetau­ scherelemente verwendeter Kupferplatten,

Fig. 2 einen Stapel der Kupferplatten aus Fig. 1,

Fig. 3 einen Stapel ähnlich Fig. 2, wobei obenauf ein fertiges Wärmetauscherelement liegt,

Fig. 4 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer zur Durch­ führung des Verfahrens geeigne­ ten Vorrichtung,

Fig. 5 ein weiteres mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren hergestelltes Wärmetauscherelement, und

Fig. 6 ein weiteres mit dem erfindungs­ gemäßen Verfahren hergestelltes Wärmetauscherelement.

Fig. 1 zeigt eine Reihe hintereinanderliegender Kupferplatten 2, wie sie im erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet werden. Die Kupferplatten 2 weisen einen ersten Bereich 3 verhältnismäßig großer Wandstärke und einen zweiten, dünneren Bereich 4 auf. Die Plattenstärke der Kupferplatte 2 erhöht sich dabei im Bereich von der Kante b in Richtung auf den der Kante b gegenüberliegenden, dünneren Bereich 4, wobei sich die größere Plattenstärke unmittelbar am Beginn des dünneren Bereichs 4 befindet, so daß die Seite a eine im wesentlichen dreieckige Form hat. Um aus dieser Kupferplatte 2 ein in Fig. 3 näher dargestelltes Wärmetauscherelement 26 herzustellen, wird der dünne Bereich 4 in Tropfenform umgebogen und am Bereich 3 festgeschweißt, wie dies in Fig. 3 zu sehen ist.

Die Herstellung des Wärmetauscherelementes 26 erfolgt bevorzugt über die folgenden Verfahrensschritte:

• - die vorgereinigten, stapelbaren Kupferplatten 2 passieren über eine Schleuse eine gegenüber der Umgebung isolierte, mit einer Glasplatte zum Durchtritt der sonnenstrahlen abgedeckte Kammer, in der die Kupferplatten mit Hilfe der Sonnenenergie sowie durch rückgeführte Prozeßwärme vorgewärmt werden,
• - danach gelangen die vorgewärmten Kupferplatten in einen ebenfalls gegen die Umgebung isolierten Verarbeitungsraum, in dem sie mittels vorgewärmter Werkzeuge gerichtet, mit dem Kanal für das Arbeitsmedium versehen, und auf herkömmliche Weise geschweißt oder gelötet werden,
• - die fertigen Wärmetauscherelemente werden anschließend im Verarbeitungsraum gestapelt und kühlen dort ab. Ihr Wärmeinhalt wird einerseits zum Vorwärmen der ankommenden Kupferplatten rückgeführt und dient andererseits zur Überbrückung und Pufferung differierender Sonneneinstrahlung.

Die für diese Verfahrensschritte verwendete Vorrichtung ist in schematischer Darstellung aus Fig. 4 ersichtlich. Die vorgereinigten Kupferplatten 2 werden über eine Schleuse 1 in eine Bereitstellungskammer 7 eingebracht, wo sie gestapelt werden. Die Bereitstellungskammer 7 ist mit einer Isolierung 36 versehen und steht über einen geschlossen, isolierten und mit einer Glasplatte 12 abgedeckten Transportkanal 38 über thermostatisch steuerbare Schleusen 3, 14 mit dem geschlossenen Verarbeitungsraum 13 in Verbindung. Die Glasplatte 12 kann bei Bedarf durch eine Isolierklappe 10 abgedeckt werden. Der geschlossene Verarbeitungsraum 13 steht weiterhin über einen Abgaskanal 19 mit der Bereitstellungskammer 7 in Verbindung, durch den bei Bedarf durch thermostatisch geregelte Ventilatoren die Abgase aus dem Verarbeitungsraum 13 in die Bereitstellungskammer 7 und von dort über einen Abgasstutzen 5 in die Umgebung abgeleitet werden können.

Der Transportkanal 38 ist bei 11 schwenkbar mit dem Verarbeitungsraum 13 verbunden und kann über einen hydraulischer Betätigungszylinder 20 in eine zur Sonneneinstrahlung senkrechte Position verschwenkt werden, wobei ein mechanisches Gestänge 34, 6 dafür sorgt, daß sich der Stapel der Kupferplatten 2 in der Bereitstellungskammer 7 in jeder Winkelstellung des Transportkanals 38 in der Horizontalen befindet.

Der Verarbeitungsraum 13 ist ebenfalls mit einer Isolierung 18 versehen und weist eine Glasplatte 39 auf, die bei Bedarf durch eine Isolierklappe 37 abgedeckt werden kann. Der Transportkanal 38 mündet oben in den Verarbeitungsraum 13, während am Boden eine ebenfalls durch Schleusen 30, 31 verschließbare Ausgabeöffnung für die fertigen Wärmetauscherelemente 26 vorgesehen ist. Die gesamte Vorrichtung ist mobil und kann über ein Fahrwerk 35 und eine Anschlußkupplung 40 verfahren sowie über eine Drehscheibe 32, dem Sonnenstand folgend, verdreht werden.

Im Inneren des Verarbeitungsraums 13 ist eine segmentierte Transportwalze 41, 42, eine Biegeeinrichtung 43 und eine Schweiß- oder Löteinrichtung 15, 16, 17 angeordnet. Die Schweißeinrichtung arbeitet mit mehreren Injektorbrennern 17, deren Anschlußstutzen 15 aus dem Verarbeitungsraum 13 herausführen. Es ist weiterhin eine Halteeinrichtung 44 vorgesehen, durch die eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und den Injektorbrennern 17 ermöglicht wird. Über einen Kanal 16 kann Gasfeuerungsgemisch in das Innere des zu verschweißenden Arbeitsmediumkanals des Wärmetauscherelementes 26 eingeleitet werden, wodurch dieser vorgewärmt wird.

Im Verarbeitungsraum 13 ist weiterhin ein Abkühlplatz 28 vorgesehen, auf dem die fertigen Wärmetauscherelemente 26 in einem Stapel 27 abgelegt werden. Im Bereich des Abkühlplatzes 28 befindet sich eine Öffnung 45 durch die Wandung des Verarbeitungsraumes 13, durch die weitere Schweiß- bzw. Lötarbeiten durchgeführt werden können, z. B. um die in den Fig. 5 und 6 dargestellten Sonderformen von Wärmetauscherelementen 26′ bzw. 26′′ herzustellen.

Die in der Bereitstellungskammer 7 gestapelten, vorgereinigten Kupferplatten 2 werden durch die aus einem durch Transportkanal 38 und Abgaskanal 19 gebildeten Abwärmekanal aufsteigende, überschüssige Solarenergie- und Prozeßwärme vorgewärmt. Die Kupferplatten 2 gelangen dann einzeln nacheinander in den Transportkanal 38, wo sie durch Sonneneinstrahlung über die Glasplatte 12 weiter vorgewärmt werden. Anschließend werden die Kupferplatten 2 in der Position 21 einzeln von der segmentierten Transportwalze 41, 42 aufgenommen und in dieser Position mit Hilfe der Biegeeinrichtung 43 im Bereich 4 dünner Plattenstärke mit dem Arbeitsmediumkanal versehen. In einer nachfolgenden Position 22 kann der gebogene Arbeitsmediumkanal bei Bedarf im Lichtbogenschmelzverfahren punktiert werden. In der nachfolgenden Position 23 im Bereich der Schweißeinrichtung 15, 16, 17, wird das Werkstück von Klemmrollen und einer Spannvorrichtung der Halteeinrichtung 44 ergriffen und relativ zu den Injektorbrennern 17 verschoben, damit der umgebogene Bereich 4 verschweißt werden kann. Dabei übernimmt ein Gasfeuerungsgemisch die innere Erhitzung sowie ein weiterer, dem Schweißbrenner gegenüberliegender Injektorbrenner die äußere Vorwärmung des Materials.

Über Monitore kann eine Aufsichtsperson den Fortgang der Gasschmelzschweißung optisch kontrollieren und über eine Steuerungsanlage im Bedarfsfall regulierend eingreifen.

Das verschweißte Werkstück mit seinem hohen Wärmeinhalt bleibt danach in der Position 24, um durch direkte Abstrahlung das Vorwärmen des Nachfolgers in der Position 23 zu unterstützen. Bei der Position 25 verläßt der fertig geschweißte Wärmetauscher die Transportwalze 41, 42 und wird auf dem Abkühlplatz 28 auf einen Stapel 27 gelegt. Das jeweils oben aufliegende Werkstück wird an Ort und Stelle an den beiden Enden des Kanals gepreßt und durch Hartlöten mit Hilfe einer Gasflamme über die Öffnung 45 von außen mit den in den Fig. 5 und 6 dargestellten Anschlußsstutzen hart verlötet. Nach dem Abkühlen verlassen die fertigen Wärmetauscherelemente 26, 26′ bzw. 26′′ den Verarbeitungsraum 13 über die Schleusen 30, 31.

In der morgendlichen Startphase kann die Vorrichtung über die Scheibe 32 in einen optimalen Stand zur Sonne gebracht werden. Abends werden die Isolierklappen 37, 10 geschlossen und der in der Anlage enthaltene Wärmeinhalt aufgebraucht.

Aus Sicherheitsgründen sind in den Seitenwänden der Vorrichtung gut dimensionierte Verpuffungsklappen zur freien Umgebung und entsprechende Torschleusen zum Begehen vorgesehen.

Mit dem beschriebenen Verfahren und der beschriebenen Vorrichtung können somit stabile, gut leitfähige Wärmetauscherelemente, wie beispielsweise das einfache Wärmetauscherelement 26 aus Fig. 3, das Wärmetauscherelement 26′ aus Fig. 5 mit einem hart eingelöteten Rohrstutzen sowie einem gepreßten, kapillarverlöteten Rohrende sowie das Wärmetauscherelement 26′′ in Form des in Fig. 6 gezeigten Rohrterminals hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine Vor- und Nachlagerung der Kupferplatten zum Vorwärmen bzw. der fertigen Wärmetauscherelemente zum Abkühlen und Abgeben der aufgenommenen Energie in den Verarbeitungskreislauf.

In Abwandlung des beschriebenen und gezeichneten Ausführungsbeispiels kann beispielsweise das Anlöten von Rohrstutzen bzw. das Zuquetschen offener Kanalenden statt auf dem Stapel auch erst kurz vor dem Verlassen des Verarbeitungsraums stattfinden. Für diese Arbeiten sind an der Vorrichtung Schleusen mit einem Schutzraum für den Arbeiter vorzusehen. Um die Rückführung der Prozeßwärme insbesondere aus den fertigen, aufgeheizten Wärmetauscherelementen effektiver zu gestalten, kann auch eine aktive Kühlung über ein Kühlmedium stattfinden. Beim Verschweißen des Arbeitsmediumkanals können entweder die Werkstücke durch die Halteeinrichtung oder die Injektorbrenner bewegt werden. Die Lichtbogenschweißanlage kann manuell oder durch einen Arbeitsroboter gesteuert werden. Um den Transportkanal in eine günstige Winkelposition zur Sonne zu bringen, kann statt des gezeichneten hydraulischen Zylinders jeder andere geeignete Antrieb verwendet werden. Die Vorrichtung kann weiterhin auch fest installiert sein. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beispielsweise auch ein Wärmetauscherelement mit einer zusätzlichen Absorberfläche mit dickerer Plattenstärke auf der gegenüberliegenden Kanalseite hergestellt werden, wobei die zusätzliche Absorberfläche geschweißt oder kapillar gequetscht und hartgelötet wird.

Schließlich kann auch ein Wärmetauscherelement aus einer durch mehrere Schweißbahnen verbundenen Kupferplatte unterschiedlicher Wandstärke hergestellt werden.

Claims (19)

1. Verfahren zum aufeinanderfolgenden Herstellen von Wärmetauscherelementen (26) aus Kupferplatten (2) für einen Sonnenkollektor, wobei an jede Kupferplatte (2) durch Biegen ein Kanal für ein Arbeitsmedium angeformt sowie verschweißt oder verlötet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal aus einem endseitigen Bereich (4) der Kupferplatte (2) mit einer gegenüber dem angrenzenden Bereich verringerten Plattenstärke gebogen und die Kupferplatten zum Verschweißen oder Verlöten in einen Verarbeitungsraum (13) eingeführt und durch Sonnenenergie sowie durch aus dem Verschweiß- oder Verlötvorgang gewonnene rückgeführte Prozeßwärme vorgewärmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeinhalt der Wärmetauscherelemente (26) nach dem Verschweiß- oder Verlötvorgang zum Vorwärmen der Kupferplatten (2) und zur Überbrückung und Pufferung differierender Sonneneinstrahlung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Wärmetauscherelementen (26) ihr Wärmeinhalt durch Kühlung entzogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeinhalt der Einrichtungen (41, 42, 43, 15, 16, 17) zum Herstellen des Wärmetauscherelementes (26) zum Vorwärmen der Kupferplatten sowie zur Überbrückung und Pufferung differierender Sonneneinstrahlung verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorwärmen der Kupferplatten (2) nach einer Vorreinigung und vor dem Biegen des Kanals stattfindet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schweißen die Kupferplatten (2) durch ein Gasfeuerungsgemisch erwärmt werden, das thermostatisch geregelt durch den Kanal der Kupferplatten (2) geleitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der endseitige Bereich verringerter Plattenstärke der Kupferplatte (2) zu einem Kanal mit tropfenförmigem Querschnitt gebogen wird, wobei die Längserstreckung der Tropfenform im wesentlichen mit der Plattenebene fluchtet und die Spitze der Tropfenform am Bereich vergrößerter Plattenstärke anliegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenstärke der Kupferplatte (2) vom Kanal in Richtung auf einen dem Kanal abgewandten Endbereich verringert wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen mit einer Glasplatte (12) abgedeckten Transportkanal (38), in dem die Kupferplatten (2) einzeln aufeinanderfolgend zu einer im Verarbeitungsraum (13) untergebrachten Schweiß- oder Löteinrichtung (15, 16, 17) transportierbar sind, und einen von der Schweiß- oder Löteinrichtung (15, 16, 17) wegführenden, in wärmeübertragender Verbindung mit den Kupferplatten (2) stehenden Abwärmekanal (19, 38).

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Verarbeitungsraum (13) eine Biegeeinrichtung (43) für den Kanal und ein Abkühlplatz (28) für das geschweißte oder gelötete Wärmetauscherelement (26) untergebracht sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Verarbeitungsraum (13) eine segmentierte Transportwalze (41, 42) untergebracht ist, die die Kupferplatten (2) aus dem Transportkanal (38) einzeln und nacheinander der Biegeeinrichtung (43), der Schweiß- oder Löteinrichtung (15, 16, 17) und dem Abkühlplatz (28) zuführt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abwärmekanal einen Abgaskanal (19) und den Transportkanal (38) enthält, die mit ihren dem Verarbeitungsraum (13) abgewandten Enden in eine Bereitstellungskammer (7) münden, in der vorgereinigte Kupferplatten (2) gestapelt sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Transportkanal (38), dem Sonnenstand folgend, verstellbar ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verarbeitungsraum (13) mit einer Glasplatte (39) abgedeckt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasplatte (12 bzw. 39) mit einer isolierenden Klappe (10 bzw. 37) abdeckbar ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißeinrichtung eine Gasschweißanlage mit Mehrfach-Injektorbrennern (17) ist, wobei die Injektorbrenner (17) und die Kupferplatten (2) relativ zueinander bewegbar sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißeinrichtung eine manuell oder robotergesteuerte Lichtbogenschweißanlage ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Ein- und Ausgang des Transportkanals (38) mit einer Doppelschleuse (1, 3) versehen sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein für die fertigen Wärmetauscherelemente (26) bestimmter Ausgang des Verarbeitungsraums (13) mit einer Doppelschleuse (30, 31) versehen ist.