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Kostentreiber von Wärmetauschern

 Aluminium-Ölkühler mit “Extended Surface“ Flachröhrenkonzept

Abbildung 1: Aluminium-Ölkühler mit
“Extended Surface“ Flachröhrenkonzept

 Abbildung 2: Metallkosten für Wärmetauscher

Abbildung 2:
Metallkosten für
Wärmetauscher

 Abbildung 3: Kosten des Wärmetauscherkerns

Abbildung 3:
Kosten des
Wärmetauscherkerns

 Nieten für Wärmetauscher

Abbildung 4:
Nieten für Wärmetauscher

 Schweissen eines Wärmetauschers

Abbildung 5:
Schweissen eines Wärmetauschers

 Platten-Lamellen-Wärmetauscher

Abbildung 6:
Luft-zu-Flüssigkeit Lamellenwärmetauscher
mit chemischer Konversionssschicht

 Ein serienmässiger Kupferwärmetauscher (Lytron 6120) - beschichtet für raue Umgebungen und Ästhetik.

Abbilung 7:
Ein serienmässiger Kupferwärmetauscher
(Lytron 6120) - beschichtet für
raue Umgebungen und Ästhetik.

Die Preise für Wärmetauscher können stark variieren. Wenn man die Hintergründe versteht, ermöglicht es die Kosten zu reduzieren, ohne Leistungseinbussen für die flüssiggekühlte Anwendung  hinnehmen zu müssen. Die Herstellungskosten hängen vorwiegend von der jährlichen Abnahmemenge ab, was typischerweise nicht im Einflussbereich der thermischen Ingenieure oder der Entwicklungstechniker liegt. Allerdings kann man den Herstellungsaufwand minimieren, indem man den Zusammenhang zwischen den Kosten und den Wärmetauscherkerntechnologien, den Wärmetauscherrahmenmaterialien, den Toleranzen, den Beschichtungen und anderen Anforderungen versteht. Wenn Sie Ihren Wärmetauscherlieferanten  früh in den Entwicklungsprozess einbeziehen, sind Sie in der Lage die Kostentreiber bei der Herstellung zu identifizieren und das kosteneffektivste Design auszuwählen.

Kern- und Rahmenmaterialien

Die Spezifikation über die verwendeten Materialien für den Wärmetauscherkern und für den Rahmen hat grossen Einfluss auf die Kosten des Wärmetauschers selbst. Der Kern, der aus Röhren, Kühlrippen und/oder Blech besteht, kann aus unterschiedlichen Metallen gefertigt werden. Die am häufigsten für Wärmetauscher eingesetzten Metalle sind Kupfer, Aluminium und Edelstahl. Deren Kosten sind in den letzten Jahren erheblich angestiegen, was wiederum den Einfluss auf die Gesamtkosten eines Wärmetauschers weiter erhöht hat. Da Edelstahl teurer als Kupfer und Aluminium ist, sollte man sich, wenn die Anwendung es erlaubt, für Kupfer und Aluminium entscheiden. Wärmetauscher können ebenso aus Nickel, Kupfernickel, Hastelloy®, Inconel®, Titan  und anderen Metallen hergestellt werden. Allerdings werden diese Materialen aufgrund ihrer hohen Kosten eher selten eingesetzt  (siehe Abbildung 2).

Normalerweise stellt man durch die Spezifikation der Kernmaterialien sicher, dass die eingesetzte Kühlflüssigkeit kompatibel mit dem Material des Flüssigkeitsweges ist. Zum Beispiel kann Edelstahl spezifiziert werden, wenn entionisiertes Wasser eingesetzt werden soll. Kupfernickel wird hingegen in Betracht gezogen, wenn Salzwasser zur Kühlung eingesetzt wird. Andererseits können Wärmetauscherkernmaterialien ebenso in Hinblick auf das Gewicht ausgewählt werden. Aluminium und Titan sind zum Beispiel aufgrund ihrer geringen Dichten die bevorzugten Materialien für militärische Anwendungen und für Applikationen in der Luft- und Raumfahrt.

Die Kosten des Kerns hängen auch von der ausgewählten Wärmetauschertechnologie ab (Siehe Abbilding 3), Die verschiedenen Technologien erfordern einen unterschiedlichen Materialeinsatz und eine andere Herstellungszeit in der Fertigung. Die kostengünstigste Wärmetauscherart sind Kupferkühlrippenwärmetauscher. Edelstahlrippenrohrwärmetauscher hingegen sind kostenintensiver, da Edelstahl gegenüber Kupfer teurer pro Gewichtseinheit ist, die Edelstahllochbleche mehr Herstellungszeit in Anspruch nehmen und das Material verschweisst werden muss. Der Herstellungsprozess von vakuum-hartgelöteten Wärmetauschern, bestehend aus hochleistenden Aluminiumflachröhren, ist gegenüber Kühlrippenrohrwärmetauschern gleichermassen einfach in Produktion. Umgekehrt stellen vakuum-hartgelötete Lamellenwärmetauscher die teuerste Art von Wärmetauschern dar.

Weitere Kostenfaktoren sind die spezifizierten Materialen und Prozesse, die für die Befestigung des Rahmens zum Wärmetauscherkern eingesetzt werden. Nieten sind die kostengünstigste Option, gefolgt von Schrauben und Schweissen. Schrauben bieten eine grössere Festigkeit gegenüber Nieten. Flachröhrenwärmetauscher werden grundsätzlich mit Hilfe von Nieten zusammengesetzt oder aber verschweisst. Schweissen resultiert in einer höheren Festigkeit und einer noch zuverlässigeren Komponente, die höhere Schocks und Vibrationen bestehen kann. Das Verschweissen wird auch in Anwendungen bevorzugt, bei denen Raumbedarf und Gewicht kritisch sind. Daher werden Lamellenwärmetauscher bevorzugt in gewichtskritischen Anwendungen eingesetzt (z.B. Luft- und Raumfahrt). Das Schweissen eliminiert die Verwendung von Nieten, die der Komponente Gewicht hinzufügen. Ferner können Nieten einen grösseren Wärmetauscherrahmen gegenüber verschweissten Rahmen abverlangen, da die Nieten eine grössere Strecke Metall benötigen, um effektiv den Wärmetauscherkern und den Rahmen festzuhalten. Jedoch ist das Schweissen aufgrund der zusätzlichen Fertigungszeit viel teurer als die anderen genannten Methoden.

Toleranzen

Nach Kern- und Rahmenmaterialen ist die Spezifikationen der Toleranzen für die Befestigungs- und Anschlussvorrichtungen der nächst grössere Kostentreiber. Die kosteneffektivste Methode ist, die gewünschten Merkmale der Befestigungsvorrichtung bereits in die Blechkomponenten zu integrieren. Das wird in Toloranzen zwischen ±0.076cm und ±0.1.52cm (±0.03"- ±0.06") resultieren. Falls noch dichtere Toleranzen benötigt werden, muss das Produkt in einem letzten Arbeitsschritt maschinell bearbeitet werden. Das nimmt zusätzliche Maschinenlaufzeit in Anspruch. Auch erfordert es eine hohe Sorgfalt, da Metallsplitt und das Kühlmittel der Maschine den Wärmetauscher kontaminieren können. Dieser zusätzliche Bearbeitungsschritt kann daher signifikante Kosten verursachen.

Normale Rohrleitungs- bzw. Anschlusstoleranzen liegen zwischen ±0.318cm-±0.476cm (±1/8"- ±3/16") für Kupferrippenrohrwärmetauscher und ±0.318cm (±1/8") für Edelstahlrippenrohr- oder Aluminiumwärmetauscher. Wenn engere Toleranzen für die Rohrleitungen und Anschlussstücke benötigt werden, verlangt es nach teureren Werkzeugen und aufwendigeren Arbeits- und Inspektionsschritten in der Produktion. Anschlussstücke von der Stange sind kostengünstig, haben allerdings auch relativ lockere Toleranzen. Ein Anschlussrohr mit einer Wulst, dass mit Hilfe einer Schelle und einem Schlauch mit 0.953cm (3/8") Innendurchmesser angeschlossen werden kann, verlangt nicht nach dichten Toleranzen. Die kostenintensivste Methode Art kundenspezifisch, maschinell hergestellte Anschlussstücke dar.

Beschichtungen

Weitere Kostentreiber von Wärmetauschern sind Beschichtungen zur Korrosionbeständigkeit oder Ästhetik. Korrosionsschutz wird häufiger für Aluminiumwärmetauscher eingesetzt, da dieses Metall schneller korrodiert im Vergleict zu anderen Materialien. Es gibt verschiedene Beschichtungsarten zur Reduktion von Korrosion: Chemische Konversionbeschichtung, Eloxierung, elektrostatische Pulverbeschichtung und Lackierung.

Die verbreitetste Beschichtungsart ist die chemische Konversionbeschichtung oder Chromat Konversationsbeschichtung, auch bekannt als "Chem Film", dass die Oberflächenoxidation vermindert. Die meisten militärischen und kommerziellen Anwendungen verlangen, dass das Aluminium von Komponenten mit einer chemischen Konversionschicht (gemäss Militärstandard MIL-DTL-5541F, früher MIL-C-5541E) überzogen wird. 

Neben Chem Film kann auch Eloxierung zum Schutz des Aluminiums eingesetzt werden. Es minimiert Korrosion und Verschleiss, indem es die Kristallstruktur in unmittelbarer Nähe der Metalloberfläche verändert. Es erzeugt eine viel härtere Komponente mit einem noch besseren Korrisionsschutz. Auf der anderen Seite handelt es sich nicht um eine weit verbreitete Beschichtungsart und ist viel teurer als die chemische Konversionbeschichtung.

Eine dritte Beschichtungsart ist die Pulverbeschichtung, auch bekannt unter den englischen Synonymen „e-coat“, „electrodeposition“ oder „electrocoating“. Bei dieser Methode lädt ein Gleichstrom ein Metallteil auf, dass in ein Bad von entgegengesetzt geladenen Farbpartikeln getaucht wird. Die Farbpartikel werden vom Metallteil angezogen und ein gleichmässiger, stufenloser Schutzfilm lagert sich auf der Komponentenoberfläche ab. Es handelt sich allerdings hierbei um die kostenintensivste Art der Korrosionsbeschichtung für einen Wärmetauscher.

Wärmetauscher können auch mit einer Farbe überzogen werden, um vor Korrosion zu schützen oder die Ästhetik der Komponente zu erhöhen. Zum Beispiel werden Kupferwärmetauscher oftmals aus kosmetischen Gründen mit einer Farbe überzogen, da unbehandeltes Kupfer mit der Zeit seine natürliche Farbe verändert. Die Kosten pro Wärmetauscher für eine Epoxidharz-Lackierung können zwischen $10-$200 liegen. Die Kosten der Lackierung hängen nicht nur vom verwendeten Beschichtungsmittel ab, sondern auch von der Grösse der zu lackierenden Oberfläche. Wägen Sie den zusätzlichen Wert von Korrosionschutz und verbesserte Ästhetik vorsichtig gegen die zusätzlichen Kosten ab. Welche Lebenszeit verlangen Sie dem Wärmetauscher ab? Ist der Wärmetauscher sichtbar und wie wichtig ist das äussere Erscheinungsbild des Wärmetauschers für den Endanwender? Das Aussehen des Wärmetauschers spielt wahrscheinlich eine grössere Rolle in einer Krankenhauseinrichtung im Vergleich zu einem System, dass in eine Fertigungsstrasse eingesetzt wird.

Partnerschaftliche Entwicklung und Herstellung

Eine frühe Einbindung des Wärmetauscherherstellers in den Entwicklungsprozess und eine gewisse Flexibilität bei “Build-to-Print” Designs hält das grösste Einsparungspotential bereit. Gleichwohl die thermische Leistung und die jährliche Abnahmemenge die grössten Einflussfaktoren auf die Kosten darstellen, haben Ingenieure Einfluss und Kontrolle auf viele weitere Faktoren, die die Kosten beeinflussen. Eine Überprüfung sämtlicher Spezifikationen hilft die Kosten zu minimieren. Wenn Wärmetauscherkern- und rahmenmaterialien, Toleranzen und Beschichtungen festgelegt werden, gilt es die Notwendigkeit jeder einzelnen Option für die Anwendung zu prüfen. Ferner ist es wichtig zu verstehen, dass es jede Menge Alternativen sowohl beim Wärmetauscherdesign als auch bei den Herstellungsprozessen gibt, die die Kosten erheblich beeinflussen können.

Verfasst von Andy Thomas und Tracey Barber