EP0933150A2 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers für brennstoffbeheizte Wassererhitzer - Google Patents

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EP0933150A2
EP0933150A2 EP98122043A EP98122043A EP0933150A2 EP 0933150 A2 EP0933150 A2 EP 0933150A2 EP 98122043 A EP98122043 A EP 98122043A EP 98122043 A EP98122043 A EP 98122043A EP 0933150 A2 EP0933150 A2 EP 0933150A2
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EP
European Patent Office
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tube
pipes
heat exchanger
lamella
tubes
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EP98122043A
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Heinz Ehrle
Dieter Krauss
Josef Reitstaetter
Manfred Seebauer
Gottfried Zoller
Hans-Ulrich Lenckner
Uwe Lindemann
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D39/00—Application of procedures in order to connect objects or parts, e.g. coating with sheet metal otherwise than by plating; Tube expanders
    • B21D39/08—Tube expanders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C37/00—Manufacture of metal sheets, rods, wire, tubes, profiles or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape
    • B21C37/06—Manufacture of metal sheets, rods, wire, tubes, profiles or like semi-manufactured products, not otherwise provided for; Manufacture of tubes of special shape of tubes or metal hoses; Combined procedures for making tubes, e.g. for making multi-wall tubes
    • B21C37/15—Making tubes of special shape; Making tube fittings
    • B21C37/22—Making finned or ribbed tubes by fixing strip or like material to tubes
    • B21C37/24—Making finned or ribbed tubes by fixing strip or like material to tubes annularly-ribbed tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/10—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses
    • F28F1/12—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element
    • F28F1/24—Tubular elements and assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with projections, with recesses the means being only outside the tubular element and extending transversely
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F2275/00—Fastening; Joining
    • F28F2275/12—Fastening; Joining by methods involving deformation of the elements
    • F28F2275/125—Fastening; Joining by methods involving deformation of the elements by bringing elements together and expanding

Definitions

  • the invention is based on a method of manufacture a heat exchanger according to the preamble of the main claim.
  • the fins with the water pipes are soldered, taking it to minimize the soldering gap is also known, the tubes after joining of the slats by sliding one rotating driven tool to expand.
  • the solder joint ensures perfect heat transfer from the slats on the pipes, which also ensures adequate cooling of the Slats through the flowing water and the tight fit of the fins on the pipes over the life of the Heat exchanger is guaranteed.
  • primary heat exchangers have high combustion gas temperatures of, for example, 1300 ° C and therefore exposed to this on adequate cooling of the slats in particular to pay attention to, you have so far a soldered version of the Primary heat exchangers considered essential.
  • the inventive method for producing a Heat exchanger according to the features of claim 1 allows a purely mechanical and because of the elimination of Soldering work also shortened assembly of a Heat exchanger for use in High temperature range is determined.
  • each tube is separated by one pushed through, preferably driven in rotation Tool expanded, the excess of which is not expanded inner diameter of the pipe in coordination with the material and the wall thickness of the pipe is dimensioned so that on both sides of the slat feet or Lamella collar form beads on the outer circumference of the tube.
  • the Bumps lie on the slat feet or slat edges firmly, which causes the heat transfer from the fins to the Tube is additionally reinforced.
  • the beads also increase the Strength of the slat seat and prevent the Axially move fins away when expanding the pipe. By the high working pressure also causes the inner wall to roll of the pipe, which also causes the boiling noise behavior of the Heat exchanger is improved.
  • Figure 1 is shown to scale and enlarged a partial longitudinal section through a tube Primary heat exchanger with fins in front of the Expanding the pipe by the tool shown, and Figure 2 shows the same pipe section after expansion.
  • a working in the high temperature range of approx. 1300 ° C Has primary heat exchanger of a gas-fired water heater a number of tubes 10 lying parallel next to one another, which enforce a package of slats 12 which between column 14 for the passage of the combustion gases limit.
  • Each lamella 12 has its through opening or at its foot region 16 a collar 17 which the tube 10th encloses. In the initial state, the inside diameter of the Collar 17 so on the outside diameter of the still smooth Tube 10 matched that the parts without a gap let them fit together.
  • the tubes 10 and the fins 12 are preferably made of copper.
  • each Tube expanded by a tool 18 that passes through the tube is pushed through and is driven in rotation.
  • the tool 18 has a working head (calotte) 20 which is a has cylindrical core part 22, which on its circumference with four chamfered 90 ° on the side Print bars 24 is populated.
  • the work surfaces 26 each two radially opposite pressure bars 24 are in the Distance D from each other, which is slightly larger than that Inner diameter d of the undeformed tube 10 is dimensioned. The excess is in coordination with the wall thickness s of the Tube 10 and its material selected so that the Widen the pipe material firmly to the foot areas 16 or Collar 17 of the fins 12 presses and there radially material displaced to the outside on both sides of this Bulges areas to beads 28.
  • the tubes 10 made of copper have one Inner diameter d of 19 mm, a wall thickness s of 1 mm and the working head 20 has an oversize D-d of 0.3 mm.
  • the beads 12 make the lamellae 12 particularly firm and form-fitting with the tubes 10 in the axial direction connected.
  • the interfaces between the fins 12 and the tubes 10 enlarged so that also results in a particularly good heat transfer.
  • To the Inner walls of the tubes 10 are located at the locations of the beads 28 the pipe material is squeezed outwards, resulting in there annular bulges 30 result. That leads to one undulating formation of the inner wall surfaces, whereby the Boiling noise behavior of the primary heat exchanger improved becomes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers für brennstoffbeheizte Wassererhitzer, mit wasserführenden Rohren und von diesen durchsetzten Lamellen, die zwischen sich Spalte zum Durchtritt der Verbrennungsgase bilden und durch Aufweiten der Rohre spaltlos an deren Umfang anliegen. Es wird vorgeschlagen, daß der die Rohre (10) aufweitende Arbeitsdruck bzw. der Preßdruck zwischen Rohr (10) und Lamelle (12) so groß gewählt und die Lamellen (12) so gestaltet bzw. bemessen sind, daß auch bei Verbrennungsgastemperaturen im Bereich von 1300°C die Lamellenfußbereiche (16) unter die Rekristallisationstemperatur des Lamellenwerkstoffs gekühlt sind und ein Festsitz der Lamellen (12) auf den Rohren (16) ohne Lötung gewährleistet ist. Dadurch kann auch bei den hohen Verbrennungsgastemperaturen ausgesetzten Primärwärmeübertragern eine Lötverbindung zwischen den Rohren und den Lamellen entfallen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei den bekannten Primärwärmeübertragern für brennstoffbeheizte Wassererhitzer sind die Lamellen mit den wasserführenden Rohren verlötet, wobei es zur Minimierung des Lötspaltes auch bekannt ist, die Rohre nach dem Fügen der Lamellen durch Hindurchschieben eines rotierend angetriebenen Werkzeugs aufzuweiten. Die Lötverbindung sichert einen einwandfreien Wärmeübergang von den Lamellen auf die Rohre, wodurch auch eine ausreichende Kühlung der Lamellen durch das durchfließende Wasser und der Festsitz der Lamellen auf den Rohren über die Lebensdauer des Wärmeübertragers gewährleistet ist. Mit Rücksicht darauf, daß Primärwärmeübertrager hohen Verbrennungsgastemperaturen von beispielsweise 1300° C ausgesetzt sind und daher bei diesen auf eine ausreichende Kühlung der Lamellen besonders zu achten ist, hat man bisher eine gelötete Ausführung der Primärwärmeübertrager als unumgänglich erachtet.
Zum Stand der Technik gehören ferner Sekundärwärmeübertrager von Brennwertgeräten, bei denen die Lamellen nicht an die Rohre angelötet, sondern an diesen nur durch Aufweiten der Rohre festgelegt sind (EP 0 184 612 B2). Diese Sekundärwärmeübertrager arbeiten im Niedertemperaturbereich, weswegen man bei ihnen von einer bei Primärwärmeübertragern als notwendig erachteten Lötverbindung der Teile abgesehen hat.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers nach den Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht eine rein mechanische und wegen Wegfalls der Lötarbeiten auch zeitlich verkürzte Montage eines Wärmeübertragers, der für den Einsatz im Hochtemperaturbereich bestimmt ist.
Bei einer bevorzugten Ausführung wird jedes Rohr durch ein hindurchgeschobenes, vorzugsweise rotierend angetriebenes Werkzeug aufgeweitet, dessen Übermaß gegenüber dem nicht aufgeweiteten Innendurchmesser des Rohres in Abstimmung mit dem Werkstoff und der Wandstärke des Rohres so bemessen ist, daß sich zu beiden Seiten der Lamellenfüße bzw. Lamellenkragen Wülste am Außenumfang des Rohres bilden. Die Wülste legen sich an die Lamellenfüße bzw. Lamellenkanten fest an, wodurch der Wärmeübergang von den Lamellen auf das Rohr zusätzlich verstärkt wird. Die Wülste erhöhen zudem die Festigkeit des Lamellensitzes und verhindern, daß die Lamellen beim Aufweiten des Rohres axial wegwandern. Durch den hohen Arbeitsdruck bedingt wälzt sich auch die Innenwand des Rohres, wodurch auch das Siedegeräuschverhalten des Wärmeübertragers verbessert wird.
Bei Verwendung von Lamellen und Rohren aus Kupfer wird durch den Wegfall des Lötvorgangs auch ein Weichglühen der Teile vermieden und dadurch das Handling des vorgefertigten Lamellenblocks bei der Montage des Primärwärmeübertragers erleichtert. Außerdem können die Anschlüsse am Primärwärmeübertrager ohne Zusatzteile direkt in den Rohren integriert werden.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 unmaßstäblich und vergrößert einen Teil-Längsschnitt durch ein Rohr eines Primärwärmeübertragers mit aufgesetzten Lamellen vor dem Aufweiten des Rohres durch das dargestellte Werkzeug, und Figur 2 den gleichen Rohrabschnitt nach dem Aufweiten.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Ein im Hochtemperaturbereich von ca. 1300° C arbeitender Primärwärmeübertrager eines gasbeheizten Wassererhitzers hat eine Anzahl von parallel nebeneinander liegenden Rohren 10, die ein Paket von Lamellen 12 durchsetzen, welche zwischen sich Spalte 14 zum Durchtritt der Verbrennungsgase begrenzen. Jede Lamelle 12 hat an ihrer Durchgangsöffnung bzw. an ihrem Fußbereich 16 einen Kragen 17, der das Rohr 10 umschließt. Im Ausgangszustand ist der Innendurchmesser des Kragens 17 so auf den Außendurchmesser des noch glatten Rohres 10 abgestimmt, daß sich die Teile spaltlos ineinanderfügen lassen. Die Rohre 10 und die Lamellen 12 sind vorzugsweise aus Kupfer hergestellt.
Zum Befestigen der Lamellen 12 auf den Rohren 10 wird jedes Rohr durch ein Werkzeug 18 aufgeweitet, das durch das Rohr hindurchgeschoben wird und dabei rotierend angetrieben ist. Das Werkzeug 18 hat einen Arbeitskopf (Kalotte) 20, der ein zylindrisches Kernteil 22 aufweist, welches an seinem Umfang mit vier um 90° versetzten, seitlich angephasten Druckleisten 24 bestückt ist. Die Arbeitsflächen 26 von je zwei radial sich gegenüberliegenden Druckleisten 24 sind im Abstand D voneinander entfernt, der etwas größer als der Innendurchmesser d des unverformten Rohres 10 bemessen ist. Das Übermaß ist in Abstimmung mit der Wandstärke s des Rohres 10 und dessen Werkstoff so gewählt, daß sich beim Aufweiten das Rohrmaterial fest an die Fußbereiche 16 bzw. Kragen 17 der Lamellen 12 anpreßt und sich das dort radial nach außen verdrängte Material zu beiden Seiten dieser Bereiche zu Wulsten 28 aufwölbt. Bei einer praktischen Ausführung haben die aus Kupfer gefertigten Rohre 10 einen Innendurchmesser d von 19 mm, eine Wandstärke s von 1 mm und der Arbeitskopf 20 ein Übermaß D-d von 0,3 mm.
Durch die Wulste 28 werden die Lamellen 12 besonders fest und in axialer Richtung formschlüssig mit den Rohren 10 verbunden. Außerdem werden die Berührungsflächen zwischen den Lamellen 12 und den Rohren 10 vergrößert, so daß sich auch ein besonders guter Wärmeübergang ergibt. An den Innenwänden der Rohre 10 wird an den Stellen der Wulste 28 das Rohrmaterial nach außen geguetscht, wodurch sich dort ringförmige Ausbuchtungen 30 ergeben. Das führt zu einer welligen Ausbildung der Innenwandflächen, wodurch das Siedegeräuschverhalten des Primärwärmeübertragers verbessert wird.
Zur Toleranzeinhaltung der Länge des Lamellenblocks wird dieser während des Aufweitens der Rohre an den parallel zu den Lamellen 12 verlaufenden Stirnseiten auf Maß gehalten, wobei dem Lamellenblock ein festgelegtes Spiel im Aufweitewerkzeug zugestanden wird.

Claims (2)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers für brennstoffbeheizte Wassererhitzer, mit wasserführenden Rohren und von diesen durchsetzten Lamellen, die zwischen sich Spalte zum Durchtritt der Verbrennungsgase bilden und durch Aufweiten der Rohre spaltlos an deren Umfang anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß der die Rohre (10) aufweitende Arbeitsdruck bzw. der Preßdruck zwischen Rohr (10) und Lamelle (12) so groß gewählt und die Lamellen (12) so gestaltet bzw. bemessen sind, daß auch bei Verbrennungsgastemperaturen im Bereich von etwa 1300°C die Lamellenfußbereiche (16) unter die Rekristallisationstemperatur des Lamellenwerkstoffs gekühlt werden, so daß ein Festsitz der Lamellen (12) auf den Rohren ohne Lötung gewährleistet ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Rohr (10) durch ein hindurchgeschobenes, vorzugsweise rotierend angetriebenes Werkzeug (Kalotte 20) aufgeweitet wird, dessen Übermaß gegenüber dem nicht aufgeweiteten Innendurchmesser des Rohres (10) in Abstimmung mit dem Werkstoff und der Wandstärke des Rohres (10) so bemessen ist, daß sich zu beiden Seiten der Lamellenfüße (16) bzw. Lamellenkragen (17) Wülste (28) am Außenumfang des Rohres (10) bilden.
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