Weil Engineering Geniale Lösungen für die Herstellung von Latentwärmespeichern aus Edelstahl

Redakteur: Dietmar Kuhn

Eine Thermobatterie nimmt anfallende Wärmeenergie auf und speichert zeitgerecht und verlustfrei einen wesentlichen Teil als latente Wärmeenergie. Bei Bedarf kann diese in geeigneten Mengen freigesetzt und genutzt werden. Für die Herstellung solcher Wärmebatterien hat Weil Engineering jetzt für die H. M. Heizkörper GmbH & Co. KG eine komplette Fertigungsanlage projektiert.

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Zukunftsweisende Energietechnik mit der Thermobatterie. Für die Speicherbehälter hat Weil Engineering eine komplexe Fertigungslinie entwickelt und an den Anwender H. M. Heizkörper GmbH & Co. KG geliefert.
Zukunftsweisende Energietechnik mit der Thermobatterie. Für die Speicherbehälter hat Weil Engineering eine komplexe Fertigungslinie entwickelt und an den Anwender H. M. Heizkörper GmbH & Co. KG geliefert.
(Bild: Kuhn)

Die H. M. Heizkörper GmbH & Co. KG stellt im Muhr-Unternehmensverbund mit modernster Fertigungstechnik und hohen Qualitätsansprüchen seit 1963 Markenheizkörper her. Diese Produkte garantieren optimale Voraussetzungen für einen nachhaltigen Unternehmenserfolg made in Germany. Seit 1994 wird im thüringischen Dingelstädt produziert.

Eckpunkt der HM-Philosophie ist die Konzentration auf die Großserie: Alle angebotenen Produkte sind ab Lager lieferbar. Der Verzicht auf teure und zeitaufwendige Auftragsfertigung ermöglicht einen hohen Automatisierungsgrad und garantiert, in Verbindung mit den HM-typischen schlanken Strukturen, konkurrenzfähige Preise. Der Heizkörpermarkt ist von scharfem Wettbewerb geprägt. Der langfristige Erfolg setzt daher regelmäßige Produktinnovationen voraus, um sich so immer wieder von der Konkurrenz abzusetzen.

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Thermobatterie speichert Wärmeenergie verlustfrei

Eine solche Produktinnovation ist beispielsweise die Thermobatterie, die H. M. Heizkörper in sein Programm aufgenommen hat. Mithilfe einer solchen Thermobatterie ist es möglich, anfallende Wärmeenergie aufzunehmen und den wesentlichen Teil, bis zu zwei Drittel, als latente Wärmeenergie zeitlich unbefristet sowie verlustfrei zu speichern.

Bei Bedarf kann diese in geeigneten Mengen freigesetzt und anschließend genutzt werden. Der Rest der aufgenommenen Wärmeenergie wird konventionell als sensible, fühlbare Wärme gespeichert. Diese Speicherung ist verlustbehaftet und daher zeitlich begrenzt.

Für die verlustfreie Speicherung der latenten Wärme werden zwei Effekte genutzt. Zum einen ist das der Übergang der Speichersubstanz von einer festen in eine flüssige Phase bei circa 58 °C, zum anderen die Fähigkeit der Substanz, diese flüssige Phase unter bestimmten Bedingungen auch bei nachfolgender Abkühlung als unterkühlte Schmelze beizubehalten.

Eine solche Wärmebatterie ist in erster Linie für Anwendungen interessant, bei denen Wärme in einem Temperaturbereich zwischen 30 und 90 °C, hauptsächlich jedoch bei circa 55 °C bereitgestellt werden muss. Zum Beispiel bei Heizungsanlagen und Anlagen zur Bereitstellung vom Warmwasser in Wohngebäuden.

Sie ist unter anderem interessant als Ergänzung zu Solarthermieanlagen. So ist es zum Beispiel möglich, den Bedarf eines Niedrigenergiehauses/KfW-40-Hauses sicher und ausschließlich mittels der von seinem Dach gewonnenen Solarenergie zu decken.

Flexible Produktionsanlage zur Herstellung dünnwandiger Qualitätsrohre

Beim Einsatz als Ergänzung zu konventionellen Heizsystemen, vor allem Öl- oder Gasbrennern, lassen sich signifikante Einsparungen an Primärenergieträgern erzielen.

Anmerkung: Beim KfW-40-Haus handelt es sich um eine Standardisierung von Niedrigenergiehäusern durch die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Als nachprüfbare Voraussetzungen für eine zinsgünstige Förderung eines KfW-40-Hauses gelten: Der Primärenergiebedarf darf 40 kW/h pro Quadratmeter Nutzfläche und Jahr nicht überschreiten und der Transmissionswärmeverlust darf maximal 55 % betragen.

Die sogenannte Thermobatterie setzt sich dabei aus einer variablen Anzahl von Latentwärmespeichern zusammen, die miteinander verschaltet werden. Ihr modularer Einbau vereinfacht die Montage und die Anpassung an verschiedene räumliche Gegebenheiten. Des Weiteren ist eine jederzeitige Nachrüstung möglich.

Ein Einzelspeicher beziehungsweise ein Speicherelement misst 300 mm im Durchmesser, hat eine Höhe von 1600 mm und ein Gewicht von 143 kg und ist im Prinzip ein Edelstahlrohr mit Aluminiumlamellen.

Für die komplette Fertigung eines solchen Speicherelements hat H. M. Heizkörper den Spezialisten für Edelstahlrohre und Laserschweißtechnik, die Weil Engineering GmbH im südbadischen Müllheim, beauftragt, eine entsprechende Anlage zu projektieren.

Für die Edelstahl-Rohrfertigung hat Weil bereits eine entsprechende Anlage bei H. M. Heizkörper installiert, die ihre Arbeit aufgenommen hat. Dabei handelt es sich um eine innovative flexible Produktionsanlage zur Herstellung dünnwandiger Qualitätsrohre, die von Weil Engineering unter dem Namen Flexistar bekannt gemacht wurde. Allerdings in vereinfachter Ausführung, weil hier der Durchmesser eines Wärmebatteriemantels immer konstant ist. Flexistar ist ja bekannt für die flexible Wechselproduktion von unterschiedlichen Rohrdurchmessern und -längen.

Bleche werden vom Coil abgewickelt und in einer Querteilanlage per Laser geschnitten

In der Flexistar-Linie werden die Bleche entweder vom Coil abgewickelt und in einer Querteilanlage per Laser auf die dem Umfang des jeweiligen Rohres entsprechende Länge geschnitten oder gleich als fertiggeschnittene Platine der Rohrbiegestation zugeführt.

Das Flexistar-Konzept gilt als eine schnelle und hochwertige Produktionsanlage mit kontinuierlichem Durchlauf, die am Markt verfügbar ist.

Muffen der Wärmebatterie werden dicht miteinander verschweißt

Auf der Einschubseite können die Bleche, wie bereits erwähnt, von Stapeln oder einem Coil zugeführt werden. Eine automatische Inline-Qualitätskontrolle lässt sich einfach integrieren. Zu den Optionen für die Weiterbearbeitung der Rohre zählen Expandieren, Sicken, Markieren und andere, je nach Kunde oder Anwendung gewünschte Operationsmöglichkeiten.

Der Flexistar für die Rohr- beziehungsweise im Fall Thermobatterie für die Gehäuse- oder Mantelfertigung ist ein Teil der Anlage. Von dort werden die fertigen Rohre dem zweiten Teil der Anlage zugeführt. In diesem zweiten Bereich werden in mehreren Stationen die Einzelteile, meist sind es bereits geformte und mit irgendwelchen Löchern oder Ausschnitten versehene Blechteile, in verschiedenen Stationen zusammengeführt und mit unterschiedlichen Laseranwendungen verbunden.

Zunächst werden die Deckel der Wärmebatterie mit Muffen versehen, die dicht miteinander verschweißt werden. Anschließend erfolgt das Zusammenschweißen des Deckels mit dem Wasserverteiler. Das Wärmespeicher-Innenleben wird bereits komplett vom Kunden an die Anlage geliefert. Sie werden zusammen mit dem fertigen Deckel in Station 1 eingelegt, um ebenfalls miteinander verschweißt zu werden. Das geschieht zunächst alles noch manuell, könnte aber auch automatisiert werden.

Schritt für Schritt werden dazu die Einzelteile oder Baugruppen zusammengeführt und mit Stiften gegeneinander fixiert und ausgerichtet. Ist dieser Vorgang beendet, dreht sich der Tisch um 180° in die Schweißkabine. Parallel zum Schweißvorgang kann die andere Seite wieder beladen werden.

Schweißkabine verfügt über zwei Laserschweißköpfe mit Scanner

In der Schweißkabine befinden sich zwei Laserschweißköpfe mit Scanner (Remoteschweißen), die über ein Kamerasystem die Löcher erkennen und daraus die Lage des Lochkreises erfassen. Umlenkspiegel leiten den Laserstrahl so, dass alle Löcher des Lochkreises, es sind 16 Schweißungen pro Seite in Station 1 sowie zwei Rundnähte pro Seite für den Deckel und den Wasserverteiler in Station 3, ohne, dass man die Baugruppe bewegen muss, geschweißt werden können.

Zum Einsatz kommen an der Anlage zwei 2-kW-Trudisk-Laserquellen inklusive der Bildverarbeitung, mit der die Korrektur der Bauteillage erfolgt. Der gesamte Schweißprozess für eine Wärmebatterie und über die fünf Stufen der Anlage dauert etwa 140 s.

Ähnlich wie in der ersten Station werden auch in den nachfolgenden Fertigungsschritten den bereits gefügten Baugruppen Teile, wie etwa der Mantel (Rohr), automatisch zugeführt, miteinander verschweißt und jeweils über das Dach der nächsten Station übergeben.

Anlage soll 37.500 Wärmebatterien im Jahr produzieren

Für die Funktionsfähigkeit der Wärmebatterie ist es erforderlich, dass alle Teile genau passen und dicht miteinander verschweißt sind. Die gesamte Anlage lebt insbesondere vom exakten Handling, der Zuführung der jeweiligen Bauteile sowie durch die hohe Präzision, mit der die Wärmebatterien gefertigt werden.

Besonders gekennzeichnet ist die Montagelinie durch die Anwendung unterschiedlicher Schweißverfahren mit Längsnahtschweißen der Rohre im Flexistar, dem Scannerschweißen (Remoteschweißen) der Bördelnähte, dem Anschweißen der unterschiedlichen Anschlussstücke (I-Naht) und der Überlappnähte bei Deckel/Wasserverteiler und Mantel/Deckel.

Die besondere Innovation dieser Anlage liegt in den beiden Laserquellen mit je vier Abgängen, womit die Laserleistung an verschiedenen Stationen, teilweise gleichzeitig, genutzt werden kann. Dabei erzielt man bei Weil einen Nutzungsgrad von etwa 90 % der Laserleistung. Diese intelligenten Lösungen können die Weil-Ingenieure am besten erklären.

Wenn die Anlage beim Weil-Kunden H. M. Heizkörper GmbH & Co. KG installiert ist, soll sie zunächst einschichtig und automatisiert etwa 37.500 Wärmebatterien im Jahr produzieren.

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