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Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher und betrifft insbesondere kompakte Wärmetauscher zum Erwärmen und/oder Kühlen eines Hochdruckfluids.
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 62/018,947, eingereicht am 30. Juni 2014, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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Wärmetauscher werden verwendet, um Wärmeenergie zwischen zwei (oder mehr) Fluiden zu übertragen, während eine Isolation zwischen den Fluiden beibehalten wird. Solche Vorrichtungen arbeiten typischerweise, indem sie diskrete Kanäle oder Fluidflusspfade für jedes der Fluide bereit stellen. Wärmeenergie wird konvektiv von dem wärmeren der Fluide zu den Kanälen oder Flusspfaden, durch die das Fluid geleitet wird, übertragen, wird (typischerweise durch Wärmeleitung) zu den Kanälen oder Flusspfaden, durch die das kühlere der Fluide geleitet wird, übertragen und wird konvektiv zu diesem Fluid übertragen.
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Es ist bekannt, dass sich bestimmte Herausforderungen ergeben, wenn sich eines der Fluide unter einem erhöhten Druck befindet. Der erhöhte Fluiddruck, der auf die Wände der Kanäle wirkt, durch die das unter Druck stehende Fluid geleitet wird, gebietet häufig die Verwendung von Kanälen, die eine eher geringe Größe aufweisen, um annehmbar niedrige Niveaus von mechanischer Spannung aufrechtzuerhalten. Solche kleinen Kanalgrößen reduzieren jedoch auch die zum Erreichen der gewünschten Wärmeübertragung verfügbare Menge an Oberflächenfläche, was, um die Leistungsfähigkeitsanforderungen zu erfüllen, zu Erhöhungen der Länge und/oder Anzahl solcher Kanäle führt. Solche Erhöhungen führen zu erhöhten Kosten, erhöhter Größe und erhöhter Herstellungskomplexität und können insbesondere bei Anwendungen, bei denen kompakte Wärmetauscher erwünscht sind, anspruchsvoll sein. Unter anderem beinhalten solche Anwendungen beispielsweise Kühlanlagen, Brennstofferwärmung für Verbrennungsmotoren, Verdampfer für Brennstoffzellensysteme, Rankine-Zyklus-Abwärmewiedergewinnungsevaporatoren und andere.
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Gemäß manchen Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet ein Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme von einem heißen Gas zu einem Fluid ein Gehäuse, das ein Innenvolumen des Wärmetauschers definiert, wobei sich ein Flusspfad für heißes Gas von einem Einlass für heißes Gas durch das Gehäuse zu einem Auslass für heißes Gas erstreckt. Ein Fluideinlass und ein Fluidauslass sind mit dem Gehäuse verbunden und mehrere Fluidleitungen erstrecken sich zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass durch das Innenvolumen. Jede der Fluidleitungen definiert einen hydraulisch getrennten und kontinuierlichen Flusspfad zwischen dem Fluideinlass und dem Fluidauslass.
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Bei manchen Ausführungsformen sind die durch die Fluidleitungen definierten Flusspfade nicht-ebenflächig. Bei manchen solchen Ausführungsformen liegt jeder dieser Flusspfade für wenigstens einen Großteil der Länge des Flusspfades in der Form einer Spirale vor. Bei manchen Ausführungsformen definiert das Gehäuse eine Längsachse und jeder des nicht-ebenflächigen Flusses definiert eine Spiralachse, die parallel zu der Längsachse und zu dieser versetzt ist.
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Bei manchen Ausführungsformen werden wenigstens das Gehäuse, der Fluideinlass, der Fluidauslass und die Fluidleitungen in einem gemeinsamen Hartlötprozess miteinander verbunden. Bei manchen Ausführungsformen wird das Gehäuse aus mehreren Teilen konstruiert, die in einem gemeinsamen Hartlötvorgang mit dem Fluideinlass, dem Fluidauslass und den Fluidleitungen miteinander verbunden werden. Bei manchen Ausführungsformen beinhaltet der Wärmetauscher erweiterte Oberflächen, die entlang des Flusspfades für heißes Gas angeordnet sind und die mit den Fluidleitungen verbunden sind.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein Wärmetauscher zum Übertragen von Wärme von einem heißen Gas zu einem Fluid zwei oder mehr Wellrippenstrukturen, die Flusskanäle für heißes Gas definieren, die sich in einer allgemein linearen ersten Richtung erstrecken, und eine Fluidleitung mit einer Außenwand, die wenigstens teilweise an wenigstens zwei der Wellrippenstrukturen angebunden ist. Die Fluidleitung definiert mehrere aufeinanderfolgend angeordnete Flussdurchgänge für das Fluid, das sich durch die Fluidleitung bewegt. Jeder der Flussdurchgänge ist dazu ausgelegt, das Fluid in eine Richtung zu leiten, die allgemein senkrecht zu der ersten Richtung ist. Bei manchen solchen Ausführungsformen sind die Flussdurchgänge in einem Neigungswinkel zu der ersten Richtung, der nicht mehr als zwei Grad beträgt, orientiert.
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Bei manchen Ausführungsformen beinhaltet der Wärmetauscher eine erste Rippenstruktur, die zwischen einer zweiten und einer dritten Rippenstruktur angeordnet ist. Aufeinanderfolgende Flussdurchgänge sind abwechselnd zwischen der ersten und zweiten Rippenstruktur, und der ersten und dritten Rippenstruktur angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen beinhaltet der Wärmetauscher eine erste Wellrippenstruktur, die in einer ringförmigen Struktur gebildet ist, die durch einen ersten Innendurchmesser und einen ersten Außendurchmesser begrenzt wird, und eine zweite Wellrippenstruktur, die in einer ringförmigen Form gebildet ist, die durch einen zweiten Innendurchmesser und einen zweiten Außendurchmesser begrenzt wird, wobei der zweite Außendurchmesser kleiner als der erste Innendurchmesser ist. Die aufeinanderfolgend angeordneten Flussdurchgänge sind zwischen dem zweiten Außendurchmesser und dem ersten Innendurchmesser angeordnet. Bei manchen solchen Ausführungsformen ist die Fluidleitung eine von mehreren Fluidleitungen, die hydraulisch parallele Kreise für das Fluid bereitstellen und von denen jede eine mit den Rippenstrukturen verbundene Außenwand aufweist. Bei manchen Ausführungsformen definiert jede der Fluidleitungen einen spiralförmigen Flusspfad.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet eine Fluidverbindung für einen Wärmetauscher einen Verbinderkörper mit einer hartlötbaren Außenoberfläche, einen Fluidverteiler, der sich innerhalb des Verbinderkörpers befindet, und eine extern zugängliche Anschlussverbindung, die fließfähig an den Verteiler gekoppelt ist. Flussleitungszugangskanäle erstrecken sich zwischen der Außenoberfläche des Verbinders und dem Verteiler und eine Hartlötlegierungskammer kreuzt jeden der Zugangskanäle zwischen der Außenoberfläche und dem Verteiler wenigstens teilweise.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers Anordnen von Flussleitungen innerhalb eines Wärmetauschergehäuses, Führen eines Endes jeder Leitung durch eine Öffnung in der Gehäusewand, Einführen der Enden in einen Verbinderkörper und Verbinden der Flussleitungen mit dem Verbinderkörper und Verbinden des Verbinderkörpers mit dem Gehäuse in einem gemeinsamen Hartlötvorgang. Bei manchen Ausführungsformen beinhaltet das Verfahren Ausführen eines Leckagetests an den Verbindungen zwischen den Fluidleitungen und dem Verbinderkörper nach dem Hartlöten und, falls ein Leckagepfad gefunden wird, Platzieren zusätzlicher Hartlötpaste in der Hartlötlegierungskammer und erneutes Hartlöten des Wärmetauschers.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
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2 eine perspektivische Ansicht, die ausgewählte Teile des Wärmetauschers aus 1 zeigt,
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3A, 3B und 3C perspektivische Ansichten, die den Wärmetauscher aus 1–2 in fortschreitenden Zusammenbauphasen zeigen,
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4 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
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5 eine perspektivische Ansicht, die ausgewählte Teile des Wärmetauschers aus 5 zeigt,
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6 eine andere perspektivische Ansicht, die ausgewählte Teile des Wärmetauschers aus 5 zeigt,
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7 eine Draufsicht, die ausgewählte Teile des Wärmetauschers aus 5 zeigt,
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8 eine perspektivische Schnittteilansicht des Wärmetauschers aus 5,
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9 eine Schnittteilansicht des Wärmetauschers aus 5,
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10 eine perspektivische Teilansicht, die ausgewählte Teile des Wärmetauschers aus 5 zeigt,
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11 eine andere Schnittteilansicht des Wärmetauschers aus 5,
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12 eine Draufsicht, die Teile eines Wärmetauschers gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt,
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13 eine perspektivische Ansicht, die ausgewählte Teile des Wärmetauschers aus 12 zeigt,
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14 eine perspektivische Explosionsdarstellung von Komponenten, die in manchen Ausführungsformen des Wärmetauschers aus 5 zu verwenden sind,
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15 eine Schnittteilansicht der Komponenten aus 14.
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Bevor beliebige der Ausführungsformen ausführlich besprochen werden, versteht es sich, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf Einzelheiten der Konstruktion und die Anordnung von Komponenten, die in der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind, beschränkt ist. Die Erfindung ist zu anderen Ausführungsformen und dazu, auf verschiedene Arten umgesetzt oder ausgeführt zu werden, fähig. Außerdem versteht es sich, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie der Beschreibung dient und nicht als beschränkend zu betrachten ist. Die Verwendung von „beinhaltend”, „umfassend” oder „aufweisend” und Variationen von diesen soll hier bedeuten, dass die nachfolgend aufgelisteten Gegenstände und deren Äquivalente sowie zusätzliche Gegenstände eingeschlossen werden. Sofern nicht spezifiziert oder anderweitig beschränkt, werden die Begriffe „montiert”, „verbunden”, „gestützt” und „gekoppelt” und Variationen von diesen weit gefasst verwendet und schließen sowohl direkte als auch indirekte Montagen, Verbindungen, Stützen und Kopplungen ein. Ferner sind „verbunden” und „gekoppelt” nicht auf physische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen begrenzt.
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Ein Wärmetauscher 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in 1–3 veranschaulicht. Der Wärmetauscher 1 ist dazu konfiguriert, die Übertragung von Wärmeenergie von einem heißen Gas zu einem Fluid zu ermöglichen. Bei manchen bevorzugten Ausführungsformen tritt das Fluid als eine unter Druck stehende Flüssigkeit in den Wärmetauscher 1 ein und wird, wenn es durch den Wärmetauscher 1 hindurchgeht, durch die von dem heißen Gas, das gleichzeitig durch den Wärmetauscher 1 hindurchgeht, aufgenommene Wärme verdampft oder in manchen Fällen teilweise verdampft. Bei anderen Ausführungsformen tritt das Fluid als eine unter Druckstehende Flüssigkeit in den Wärmetauscher 1 ein und verlässt den Wärmetauscher 1 als eine erwärmte Flüssigkeit. In noch anderen Ausführungsformen tritt das Fluid als eine Flüssigkeit mit niedrigem Druck oder als ein Gas in den Wärmetauscher 1 ein.
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Der Wärmetauscher 1 beinhaltet ein Gehäuse 10, das ein Innenvolumen des Wärmetauschers 1 begrenzt. Ein Einlass 11 für heißes Gas und ein Auslass 12 für heißes Gas sind in dem Gehäuse 10 bereitgestellt und ein Flusspfad für heißes Gas erstreckt sich durch den Wärmetauscher 1 zwischen dem Einlass 11 für heißes Gas und dem Auslass 12 für heißes Gas. Bei der Ausführungsform aus 1 sind der Einlass 11 für heißes Gas und der Auslass 12 für heißes Gas als an Flanschbefestigungen, die an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 10 angeordnet sind, vorliegend gezeigt. Es versteht sich jedoch, dass andere Anordnungen des Einlasses und Auslasses für heißes Gas in Abhängigkeit von der Anwendung, in der der Wärmetauscher 1 verwendet wird, gleichermaßen geeignet oder geeigneter sein können.
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Das beispielhafte Gehäuse 10 ist aus mehreren diskreten Teilen konstruiert, die miteinander verbunden sind, um das Innenvolumen des Wärmetauschers 1 zu definieren. Einlass- und Auslassdiffusoren 14 verbinden den Einlass 11 und den Auslass 12 mit einem im Wesentlichen rechteckigen zentralen Teil des Gehäuses 10, in dem die Wärmeübertragung zwischen dem heißen Gas und dem Fluid stattfindet. Der im Wesentlichen rechteckige zentrale Teil des Gehäuses 10 ist aus einer oberen Platte 18, einer unteren Platte 17, Seitenplatten 19 (nur eine ist in 1 sichtbar, aber es versteht sich, dass sich eine ähnliche Seitenplatte 19 auf der gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschers 1 befindet) und Eckpfosten 15, 16 konstruiert. Zwei Fluideinlass-/-auslassanschlüsse 13 sind mit dem Gehäuse 10 verbunden, um dem Fluid zu erlauben, in den Wärmetauscher 1 ein- und aus diesem auszutreten, wobei einer der Einlass-/Auslassanschlüsse 13 als ein Einlass und der andere als ein Auslass fungiert.
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2 veranschaulicht den Wärmetauscher 1, wobei bestimmte Teile des Gehäuses entfernt sind, um die Beschreibung der internen Einzelheiten des Wärmetauschers 1 zu erleichtern. Bestimmte Aspekte der veranschaulichten Ausführungsform werden nun mit Bezugnahme auf diese Figur sowie mit Bezugnahme auf 3A–C, die den Wärmetauscher 1 in verschiedenen Zusammenbau- und Konstruktionsphasen zeigen, erklärt.
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Das durch das heiße Gas zu erwärmende Fluid wird über mehrere Fluidleitungen 2, die sich durch das Innenvolumen des Gehäuses 10 erstrecken, durch den Wärmetauscher 1 transportiert. In der Ausführungsform aus 2 sind drei solche Fluidleitungen 2 gezeigt, aber es versteht sich, dass die Anzahl von Fluidleitungen 2 in Abhängigkeit von den Anforderungen der Anwendung erhöht oder verringert werden kann. In 3A ist eine einzelne der Fluidleitungen 2 gezeigt und ist durch eine kontinuierliche Fluidwand 7 gekennzeichnet, die sich zwischen beabstandeten Enden 4 erstreckt und die einen nicht-ebenflächigen Flusspfad für das sich durch die Leitung hindurchbewegende Fluid definiert. Die Leitungswand 7 der Beispielsausführungsform weist einen Querschnitt auf, der von einer ringförmigen Form ist, um eine für Betrieb bei erhöhtem Druck gut geeignete Gestaltung bereitzustellen, aber es versteht sich, dass andere Querschnittsformen alternativ eingesetzt werden könnten. Jede Flussleitung 2 definiert mehrere Flussdurchgänge 5, die so angeordnet sind, dass dem Fluid erlaubt wird, auf serielle Art hindurchzufließen. Die Flussdurchgänge 5 sind abwechselnd in zwei beabstandeten parallelen Ebenen angeordnet, wobei bogenförmig geformte Biegungsabschnitte 6 aufeinanderfolgende Flussdurchgänge 2 verbinden, wodurch ein nicht-ebenflächiger Flusspfad erzeugt wird.
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Wellrippenstrukturen 3 sind in dem Wärmetauscher 1 zusätzlich bereitgestellt und sind für sowohl strukturelle Stabilität als auch verbesserte Wärmeübertragung mit den Fluidleitungen 2 verbunden. Jede der Wellrippenstrukturen 3 beinhaltet abwechselnde Erhöhungen und Vertiefungen, die durch Flanken verbunden sind, und kann konstruiert werden, indem ein kontinuierliches Metallblech durch einen Rippenwalzprozess umgeformt wird. Obwohl dies nicht gezeigt ist, können optional Oberflächenverbesserungsmerkmale, wie etwa Lüftungslamellen, Spitzen, Höcker und dergleichen, an den Flanken der Wellrippenstrukturen bereitgestellt sein, um die Wärmeübertragung weiter zu verbessern. Jede der Wellrippenstrukturen definiert eine Reihe von Flusskanälen 8 für heißes Gas, die sich in einer Längsrichtung des Wärmetauschers 1 erstrecken.
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Der Abstand zwischen jenen der Flussdurchgänge 5 einer gegebenen Fluidleitung 2, die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, und jenen der Flussdurchgänge 5 der Fluidleitung 2, die in der anderen gemeinsamen Ebene angeordnet sind, kann so optimiert werden, dass das Einsetzen von einer der Wellrippenstrukturen 3 innerhalb dieses Abstands erlaubt wird, wobei die Außenwand 7 der Fluidleitung 2 sowohl die Erhöhungen als auch die Vertiefungen der Wellrippenstruktur 3 berührt oder fast berührt, wie in 3B gezeigt. Solche Kombinationen einer Flussleitung und einer Wellrippenstruktur können zu einem Stapel angeordnet werden, wobei zusätzliche Wellrippenstrukturen 3 zwischen angrenzenden der Kombinationen sowie oberhalb und unterhalb des Stapels angeordnet werden. Der gesamte Stapel kann zum Beispiel durch Hartlöten verbunden werden, um einen monolithischen Wärmetauscherkern zu bilden. Infolge von solchem Verbinden ist die Außenwand 7 jedes Flussdurchgangs 5 mit den Erhöhungen einer Wellrippenstruktur 3 und den Vertiefungen einer anderen verbunden. Allgemein gesprochen liegen, wenn N Fluidflussleitungen in einem Wärmetauscher gemäß einer solchen Ausführungsform der Erfindung vorliegen, (2N + 1) Wellrippenstrukturen vor.
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Die Eckpfosten 15 und 16 sind so beabstandet, dass sie das Umgehen der Flusskanäle 8 für heißes Gas durch heißes Gas blockieren und dass sie auch einen Platz für die Biegungsabschnitte 6 der Fluidleitungen 2 bereitstellen. Massive Eckpfosten 16 sind an zwei der gegenüberliegenden Ecken des Kerns angeordnet, während Eckpfosten 15, die einen (nicht gezeigten) Fluidverteiler enthalten, an den anderen zwei gegenüberliegenden Ecken angeordnet sind. Flussleitungsverbindungslöcher 23, die den Enden 4 der Fluidleitungen 2 entsprechen, sind in jedem der Eckpfosten 15 bereitgestellt und die Enden 4 der Fluidleitungen 2 sind darin aufgenommen und sind mit den Eckpfosten 15 verbunden, um versiegelte Flusskanäle für das Fluid durch das Innenvolumen des Wärmetauschers 1 bereitzustellen.
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Ausrichtungsöffnungen 20 sind in der oberen Platte 18 und der unteren Platte 17 bereitgestellt, um einen einfachen Zusammenbau des Wärmetauschers 1 zu erlauben. Die Öffnungen 20 sind so bemessen und positioniert, dass sie den Ausbuchtungen 21 und 22, die an den Enden der Eckpfosten 15 und 16 bereitgestellt sind, entsprechen. An einem Ende von jedem der Eckpfosten 15 sind hohle Ausbuchtungen 22 bereitgestellt, wobei das eine Ende dem Fluidanschluss 13 für diesen Eckpfosten 15 (das Ende der oberen Platte 18 in der Ausführungsform aus 1) entspricht. Am gegenüberliegenden Ende der Eckpfosten 15 und an beiden Enden der Eckpfosten 16 sind massive Ausbuchtungen 21 bereitgestellt. Während sich die massiven Ausbuchtungen 21 nicht jenseits der Oberfläche der oberen Platte 18 oder der unteren Platte 17 erstrecken müssen, kann es für die hohlen Ausbuchtungen 22 bevorzugt sein, länger zu sein, um den Zusammenbau des Anschlusses 13 mit dieser Ausbuchtung 22 zu erleichtern. Die hohlen Ausbuchtungen 22 erlauben einen Fluidaustausch zwischen dem Verteiler, der sich innerhalb des Eckpfostens 15 befindet, und dem Fluidanschluss 13.
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Bei manchen bevorzugten Ausführungsformen wird wenigstens dieser in 2 gezeigte Teil des Wärmetauschers 1 in einem gemeinsamen Hartlötvorgang verbunden. Allgemein gesprochen beinhaltet ein Hartlötvorgang typischerweise Erwärmen zusammengebauter Metallkomponenten auf eine Temperatur, die nahe der Schmelztemperatur des Metalls, aber niedriger als diese, ist. Eine Hartlötlegierung mit einer niedrigeren Schmelztemperatur als das Basismetall, die vor solchem Erwärmen in jenen Gebieten, in denen Verbindungen zwischen verschiedenen Komponenten gewollt sind, auf den Zusammenbau aufgetragen wurde, wird bei der erhöhten Temperatur zum Schmelzen gebracht und fließt, so dass sie die Metalloberflächen an den Verbindungsstellen benetzt. Beim Abkühlen des Zusammenbaus erstarrt die verflüssigte Hartlötlegierung, wobei an jenen benetzten Stellen metallurgische Verbindungen erzeugt werden. Für die Verwendung mit verschiedenen Basismetallen, wie etwa Stählen, Aluminium Kupfer und Legierungen von selbigen, sind verschiedene Hartlötlegierungszusammensetzungen bekannt. Die Hartlötlegierung kann in verschiedenen Formen bereitgestellt werden, zum Beispiel als eine Überzugsschicht auf einem oder mehreren der Teile, als eine Paste, als ein Spray, als ein getrenntes dünnes Blech oder in einer anderen Form, wiederum variierend mit dem hartzulötenden Basismetall. Wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck „gemeinsamer Hartlötvorgang”, dass Verbindungen zwischen den angezeigten Komponenten innerhalb desselben Hartlötvorgangs hergestellt werden.
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Bei wenigstens manchen Ausführungsformen wird der Wärmetauscher 1 aus einem rostfreien Austenitstahlmaterial konstruiert und unter Verwendung einer Nickel-Chrom-Hartlötlegierung hartgelötet. Sehr dünne Bleche einer solchen Hartlötlegierung werden zwischen der Fluidleitungswand 7 und den Erhöhungen oder Vertiefungen der Wellrippenstrukturen 3 eingebaut. Eine Hartlötlegierung in Pastenform wird an den Flussleitungsverbindungslöchern 23 und den Ausrichtungsausbuchtungen 21, die sich durch die Ausrichtungsöffnungen 20 der unteren Platte 17 erstrecken, aufgetragen. Beim Erwärmen des Zusammenbaus auf die Hartlöttemperatur schmilzt die Hartlötlegierung auf, um die Hartlötverbindungen wie zuvor beschrieben zu erzeugen. Die Hartlötlegierung, die zwischen den Fluidleitungen 2 und den Wellrippenstrukturen 3 bereitgestellt ist, fließt durch Kapillarwirkung, um zusätzlich Verbindungen zwischen angrenzenden Durchgängen 5 der Fluidleitungen 2 zu bilden, wodurch eine steifere und robustere Struktur bereitgestellt wird. Zusätzliche Komponenten des Wärmetauschers 1 können nach dem Hartlöten zusammengebaut werden. Zum Beispiel können die obere Platte 18, die Seitenplatten 19 und die Diffusoren 14 festgeschweißt werden. Die Fluideinlass- und -auslassanschlussstücke 13 können als zweiteilige Anschlusstücke bereitgestellt werden, wobei ein Teil an der oberen Platte 18 festgeschweißt wird und der andere Teil durch mechanische Gewinde verbunden wird. Bei manchen Ausführungsformen können jedoch wenigstens manche dieser zusätzlichen Teile in dem Hartlötvorgang verbunden werden.
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Ein Wärmetauscher 101 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist in 4 dargestellt. Der Wärmetauscher 101 liefert gegenüber dem Wärmetauscher 1 bestimmte Vorteile dahingehend, dass er für das Verbinden aller Teile in einem gemeinsamen Hartlötvorgang zugänglicher ist. Der Wärmetauscher 101 beinhaltet wiederum ein Gehäuse 110, das ein Innenvolumen darin für das heiße Gas zum Hindurchgehen definiert, wobei ein Einlass 111 für heißes Gas an einem Ende des Gehäuses 110 angeordnet ist und ein Auslass 112 für heißes Gas an einem gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 110 angeordnet ist. Bei bestimmten Ausführungsformen (zum Beispiel, wenn es gewünscht ist, dass das heiße Gas eine gerade Anzahl von Durchgängen durch den Wärmetauscher durchläuft) können der Einlass 111 für heißes Gas und der Auslass 112 für heißes Gas an einem gemeinsamen Ende des Wärmetauschers angeordnet sein. Bei noch anderen Ausführungsformen sind der Einlass und/oder Auslass für heißes Gas an einer anderen Stelle des Gehäuses 110 als an einem Ende angeordnet.
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Der Wärmetauscher 101 beinhaltet ferner zwei Anschlüsse 113, die mit dem Gehäuse 110 verbunden sind. Eine Fluidverbindung ist zwischen den Anschlüssen 113 bereitgestellt, wie später ausführlicher beschrieben wird, so dass einer der Anschlüsse 113 als ein Fluideinlass dienen kann und der andere der Anschlüsse 113 als ein Fluidauslass dienen kann. In Abhängigkeit von den Anforderungen der Anwendung kann der Wärmetauscher 101 in einem Gegenflussbetriebsmodus, indem einer der Fluidanschlüsse 113, der dem Auslass 112 für heißes Gas am nächsten ist, als der Fluideinlass dient, oder in einem Gleichflussbetriebsmodus betrieben werden, indem einer der Fluidanschlüsse 113, der dem Einlass 111 für heißes Gas am nächsten ist, als der Fluideinlass dient.
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Das Gehäuse 110 des Wärmetauschers 101 beinhaltet einen zentral positionierten Gehäusezylinder 124, der an beiden Enden mit Diffusoren 114 verbunden ist. Fluidverbindungen 130 sind mit den Diffusoren 114 verbunden, um die Fluidanschlüsse 113 bereitzustellen.
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Fluidleitungen 102 erstrecken sich zwischen den Fluidverbindungen 130, um mehrere Fluidflusspfade durch den Wärmetauscher 101 für ein durch das hindurchgehende heiße Gas zu erwärmendes Fluid bereitzustellen. Wie am besten in 5 zu sehen ist, definieren die Fluidleitungen 102 wiederum nicht-ebenflächige Flusspfade für das Fluid durch das Innenvolumen des Gehäuses 110. Bei der Beispielausführungsform sind drei solcher Fluidleitungen 102 bereitgestellt, aber es versteht sich, dass mehr oder weniger solcher Fluidleitungen 102 verwendet werden können, wie durch die Anforderungen der Anwendung bestimmt wird.
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Die mehreren Flussleitungen 102 sind zusammen in eine zylindrische Form gewickelt, so dass jede der Flussleitungen 102 durch einen bedeutenden Teil des Gehäusezylinders 124 einen spiralförmigen Flusspfad definiert. Auf diese Weise definiert jeder vollständige 360°-Umlauf einer Flussleitung einen Flussdurchgang 105 für das Fluid, der im Wesentlichen in einem Querfluss zu dem sich durch den Wärmetauscher 101 bewegenden heißen Gas orientiert ist. Mit anderen Worten bewegt sich, wenn sich der Fluss von heißem Gas in einer Längsrichtung bewegt, die allgemein parallel zu der Achse des Gehäusezylinders 124 ist, das Fluid, das einen beliebigen Durchgang 105 durchläuft, in einer Richtung, die immer allgemein senkrecht zu der Längsrichtung ist.
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Bei vielen Anwendungen, insbesondere bei jenen, bei denen sich das Fluid bei einem erhöhten Druck entlang der Fluidleitungen 102 bewegt, ist es gewünscht, einen Flusskanal aufzuweisen, der eine geringe Größe aufweist, wodurch die strukturellen Lasten minimiert werden, die der Fluidleitung 102 durch den Fluiddruck auferlegt werden. Eine solche strukturelle Belastung kann weiter minimiert werden, indem Flusskanäle bereitgestellt werden, die im Querschnitt kreisförmig sind, so dass die Rohrwand 106 im Querschnitt eine ringförmige Form ist. Unabhängig davon, ob der Flusskanal im Querschnitt kreisförmig ist, kann die Größe des Kanals durch seinen hydraulischen Durchmesser quantifiziert werden, der als vier Mal die Flussfläche geteilt durch den benetzten Umfang berechnet wird und der Einheiten der Länge aufweist. Für einen kreisförmigen Kanal ist der hydraulische Durchmesser gleich dem tatsächlichen Durchmesser, wobei der hydraulische Durchmesser für nicht-kreisförmige Kanäle der Durchmesser eines kreisförmigen Kanals ist, der ein äquivalentes Verhältnis von Flussfläche zu benetztem Umfang aufzeigt. Bei manchen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung weisen die Fluidleitungen 102 einen hydraulischen Durchmesser auf, der nicht größer als ein Millimeter ist.
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Jedoch steht der Wunsch, die Größe der Kanäle wegen Druckwiderstandszwecken zu minimieren, oftmals im Konflikt mit dem Wunsch, die Oberflächenfläche der Kanalwand zu maximieren, um die Wärmeübertragung an das durch den Kanal hindurchgehende Fluid zu fördern. Wenn die Kanalgröße reduziert wird, erfordert Beibehalten der Kanaloberflächenfläche, dass die Länge des Kanals erhöht wird. Es kann aber problematisch sein, die Kanallänge innerhalb eines festgelegten Volumens wesentlich zu erhöhen. Die nicht-ebenflächigen Fluidleitungen des Wärmetauschers 101 stellen eine Lösung für das Problem bereit, indem Flusskanäle mit eher kleinem Querschnitt, aber erheblicher Länge ermöglicht werden. Jeder Flussdurchgang 105 nimmt in der Längsrichtung nur einen kleinen Teil der Länge des Wärmetauschers 101 ein und viele solcher Flusskanäle können in Reihe miteinander für jede der Flussleitungen 102 bereitgestellt werden, um die erforderliche lange Kanallänge zu ermöglichen. Weiterhin können angrenzende der Flusskanäle 105 zur Kompaktheit direkt nebeneinander platziert werden, ohne den Fluss des heißen Gases über die Oberflächen der Fluidleitungswände 106 zu blockieren.
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Die Gestaltung des Wärmetauschers 101 liefert Flexibilität beim Anpassen des Druckverlusts, indem ermöglicht wird, die Gesamtanzahl von Flussdurchgängen 105 (z. B. die verfügbare Gesamtlänge geteilt durch die Außenabmessung der Fluidleitungswand 106) auf mehrere Fluidleitungen 102 zu verteilen, ohne die für Wärmeübertragung verfügbare Gesamtoberflächenfläche zu beeinflussen. Erhöhen der Anzahl solcher Fluidleitungen 102 verringert sowohl die Länge jeder Leitung als auch die Fluidgeschwindigkeit in den Leitungen und führt daher zu einer dramatischen Reduzierung des auftretenden Druckverlusts. Die maximale Anzahl an Flussdurchgängen 105 kann erreicht werden, indem sich angrenzende der Flussdurchgänge in direktem Kontakt miteinander befinden, wie am Besten in 7 zu sehen ist. Diese kompakte Anordnung erlaubt es jedem der Flussdurchgänge 105, im Wesentlichen in einer Querflussorientierung zu dem Fluss von Abführungsgas orientiert zu sein, das sich in der durch den Pfeil 109 angezeigten Richtung (d. h. in Längsrichtung des Wärmetauschers 101) bewegt. Wenn das Fluid einen der Durchgänge 105 durchläuft, ist die unmittelbare Richtung des Fluidflusses durch die Leitung 102 näherungsweise senkrecht zu der Richtung des Flusses von heißem Gas, obwohl es Aufgrund des Neigungswinkels, θ, leicht von der wirklich senkrechten Anordnung abweicht. Bei manchen bevorzugten Ausführungsformen beträgt der Neigungswinkel θ nicht mehr als zwei Grad.
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Ein potentieller Mangel der wie in 5 dargestellten gemeinsam gewickelten Flussleitungen 102 ist, dass ein Teil der Außenoberflächen der Rohrwände 106 nicht für den Fluss von heißem Gas für konvektive Wärmeübertragung verfügbar ist, wobei sich dieser Teil der Rohrwand stattdessen in engem Kontakt mit der Rohrwand 106 einer anderen Flussleitung 102 befindet. Um den potentiell schädlichen Effekt auf die Wärmeübertragung anzugehen, kann es vorteilhaft sein, eine Wellrippenstruktur 103a innerhalb eines Rings, der sich radial auswärts von dem durch die Fluidleitungen 102 gebildeten Zylinder befindet, und eine Wellrippenstruktur 103b innerhalb eines Rings, der sich radial einwärts von dem Zylinder befindet, bereitzustellen. Die Wellrippenstrukturen 103a, b können anfangs als ebenflächige Struktur ähnlich den Wellrippenstrukturen 3 aus der Ausführungsform aus 2 gebildet werden und können dann in eine ringförmige Form umgeformt werden. Erhöhungen der Wellrippenstrukturen 103b und Vertiefungen der Wellrippenstrukturen 103a können an die Rohrwände 106 angebunden werden, um einen verringerten Widerstand für eine Wärmeübertragung zu liefern, so dass die Wellrippenstrukturen 103a, b effektiv als erweiterte Wärmeübertragungsoberflächen für das heiße Gas arbeiten können. Wie zuvor definiert jede der Wellrippenstrukturen eine Reihe von Flusskanälen 108 für heißes Gas, die sich in einer Längsrichtung (d. h. in der von dem Pfeil 109 angezeigten Richtung) des Wärmetauschgers 101 erstrecken.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung werden die Komponenten des Wärmetauschers 101 zusammengebaut und verbunden, um einen fertiggestellten Wärmetauscher 101 in einem Hartlötvorgang zu bilden. Dieser gemeinsame Hartlötvorgang erzeugt die erforderte Verbindung zwischen den Komponenten des Gehäuses 110, zwischen den Fluidleitungen 102 und den Fluidverbindungen 130 und zwischen den Fluidleitungen 102 und den Wellrippenstrukturen 103a, b (falls vorhanden).
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Um den Wärmetauscher 101 zusammenzubauen, wird die Wellrippenstruktur 103a in eine ringförmige Form umgeformt und in den Gehäusezylinder 124 eingesetzt. Eine Größenänderung der Wellrippenstruktur 103a kann optional nach dem Einsetzen durchgeführt werden, indem eine mechanische Größenänderung des Innendurchmessers der ringförmigen Form mit einem Zylinder vorgenommen wird, der mit der Wellrippenstruktur 103a eine leichte Übermaßpassung aufweist. Ein solcher Größenänderungsvorgang erzeugt einen einheitlicheren Innendurchmesser der Wellrippenstruktur 103a sowie eine leichte Abflachung der Vertiefungen der Wellungen, so dass die für Verbindungen zwischen der Wellrippenstruktur 103a und den Fluidleitungen 102 verfügbare Oberflächenfläche erhöht wird.
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Die Fluidleitungen 102, die in die in 5 gezeigte zylindrische Form gewickelt wurden, werden in das Zentrum der Wellrippenstruktur 103a eingesetzt. Eine Hartlötlegierung kann als ein dünnes Blech, das vor dem oder gleichzeitig mit dem Einsetzen der Fluidleitungen 102 eingesetzt wird, zwischen der Wellrippenstruktur 103a und den Fluidleitungen 102 platziert werden. Alternativ kann die Hartlötlegierung als ein Spray oder eine Paste auf die Vertiefungen der Wellrippenstruktur 103a oder auf die Außenoberflächen der Rohrwände 106 oder auf beide aufgetragen werden. Bei manchen Ausführungsformen mit kompatiblen Metalllegierungen kann die Hartlötlegierung als eine Überzugsschicht auf manche der Metalloberflächen aufgetragen werden.
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Die Wellrippenstruktur 103b wird in eine ringförmige Form umgeformt und wird in das Zentrum des durch die Fluidleitungen 102 gebildeten Zylinders eingesetzt. Eine Hartlötlegierung kann zwischen die Erhöhungen der Wellrippenstruktur 103b und die Fluidleitungen 102 auf eine ähnliche Art, wie sie für die Wellrippenstruktur 103a beschrieben wurde, eingesetzt werden. Ein zentraler Kern 128 wird in das Zentrum der Wellrippenstruktur 103b eingesetzt und kann so bemessen werden, dass er mit der Wellrippenstruktur 103b eine leichte Übermaßpassung aufweist, so dass die Erhöhungen der Wellrippenstruktur 103b fest gegen die Fluidleitungen 102 gedrückt werden. Der zentrale Kern 128 kann ein massiver Zylinder oder ein hohler Zylinder mit Kappen an einem oder an beiden Enden sein.
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Bei manchen Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, spezielle Legierungszusammensetzungen der verschiedenen Komponenten zu wählen, um eine bessere Anbindung zwischen Komponenten während eines Hartlötens sicherzustellen. Der Gehäusezylinder 124 kann zum Beispiel aus einer Legierung mit einem etwas niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der der Innenkomponenten konstruiert werden. Wenn der Zusammenbau auf die Hartlöttemperatur erwärmt wird, dehnen sich die Innenkomponenten thermisch um einen größeren Prozentsatz als der Gehäusezylinder 124 aus, wodurch sichergestellt wird, dass ein fester Kontakt zwischen den Komponenten, die durch die Hartlötlegierung verbunden werden sollen, aufrechterhalten wird. Als ein nichtbeschränkendes Beispiel kann der Gehäusezylinder 124 aus ferritischem rostfreiem Stahl vom AISI-Typ 409 konstruiert werden, während die Innenkomponenten (z. B. die Wellrippenstrukturen 103a und 103b, die Fluidleitungen 102 und der zentrale Kern 128) aus rostfreiem Stahl vom AISI-Typ 316 konstruiert werden, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der näherungsweise eineinhalb Mal so groß wie der von rostfreiem Stahl vom AISI-TYP 409 ist.
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Eine Verbindung der Enden 104 der Fluidleitungen 102 mit den Fluidverbindern 130 in einem Hartlötvorgang kann besonders problematisch sein. Die kleine Innengröße der Fluidleitungen 102 macht sie für Verstopfen durch Hartlötlegierung besonders anfällig, wenn die Hartlötlegierung bei einer Hartlöttemperatur verflüssigt wird. Bei manchen Ausführungsformen der Erfindung wurden die Fluidverbinder 130 mit speziellen Merkmalen ausgelegt, um solches Verstopfen zu verhindern und um zu erlauben, dass die Fluidleitungen 102 mit den Fluidverbindern 130 kostensparend in einem gemeinsamen Hartlötvorgang zusammen mit den anderen zu verbindenden Komponenten verbunden werden.
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Mit spezieller Bezugnahme auf 8 und 9 beinhalten die Fluidverbindungen 130 wie dargestellt einen Verbinderkörper 135 mit einer hartlötbaren Außenoberfläche. Der Verbinderkörper 135 kann zum Beispiel aus einer ähnlichen Legierung wie der Rest des Gehäuses 110 konstruiert werden. Innerhalb des Verbinderkörpers 135 befindet sich ein Fluidverteiler 131 in Verbindung mit dem Fluidanschluss 113, der entweder als der Einlass oder der Auslass für den Fluidfluss fungiert. Der Fluidverteiler dient entweder dem Verteilen des Fluids auf die mehreren Fluidleitungen 102 (im Fall, dass der Fluidverbinder 130 den Fluideinlassanschluss bereitstellt) oder zum Aufnehmen des Fluids von den mehreren Fluidleitungen 102 (im Fall, dass der Fluidverbinder 130 den Fluidauslassanschluss bereitstellt). Mehrere Flussleitungszugangskanäle 133, von denen jeder einer der mehreren Fluidleitungen 102 entspricht, erstrecken sich von einer Außenoberfläche des Verbinderkörpers 135 zu dem Fluidverteiler 131. Die Flussleitungszugangskanäle 133 sind so bemessen, dass sie etwas größer als die Außenabmessungen der Rohrwände 106 sind, so dass eine Hartlötlegierung während des Hartlötens durch Kapillarwirkung fließen kann, um den Passungshohlraum zu füllen, wodurch sie die Rohrwände 106 und den Verbinderkörper 135 verbindet. Bei manchen bevorzugten Ausführungsformen sind sowohl die Rohrwände 106 der Fluidleitungen 102 als auch die Flussleitungszugangskanäle 133 zum einfacheren Zusammenbau und zum Fördern einer einheitlichen Hartlötverbindung im Querschnitt kreisförmig.
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Eine Hartlötlegierungskammer 132 ist ferner innerhalb des Verbinderkörpers 135 bereitgestellt. Die Hartlötlegierungskammer kreuzt jeden der Flussleitungszugangskanäle 133 an einer Stelle zwischen der Außenoberfläche des Verbinderkörpers 135 und dem Verteiler 131 teilweise. Eine extern zugängliche Öffnung 134 der Hartlötlegierungskammer 132 ist an einer externen Oberfläche des Verbinderkörpers 135 bereitgestellt. Während die Beispielausführungsform die Öffnung 134 auf einer unterschiedlichen externen Oberfläche des Verbinderkörpers 135 als der Oberfläche platziert, die von den Flussleitungszugangskanälen 133 gekreuzt wird, können sie bei manchen alternativen Ausführungsformen dieselbe externe Oberfläche sein. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Öffnung 134 der Hartlötlegierungskammer 132 nach dem Zusammenbau des Verbinders 130 mit dem Gehäuse 110 zugänglich ist.
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Während eines Zusammenbaus des Wärmetauschers 101 und bevorzugt vor einem gemeinsamen Hartlötvorgang für die Komponenten des Wärmetauschers 101, werden die Diffusoren 114 mit dem Gehäusezylinder 124 zusammengebaut. Wie am besten in 9 zu sehen ist, weist der Gehäusezylinder 124 aufgeweitete Enden auf, die zum Aufnehmen eines Endes eines Diffusors 114 bemessen sind. Bevorzugt wird etwas Spielraum zwischen dem aufgeweiteten Ende und dem Diffusor 114 bereitgestellt, so dass eine Hartlötlegierung (die zum Beispiel an der Verbindung in Pastenform aufgetragen werden kann) durch Kapillarwirkung in diese Passungslücke hineinfließen kann, um eine metallurgische Verbindung zwischen den Komponenten bereitzustellen. Beim Zusammenbau des Diffusors 114 mit dem Zylinder 124 können Enden 104 der Fluidleitungen 102 durch eine Öffnung 126 des Gehäuses 110, das in diesem Fall innerhalb des Diffusors 114 bereitgestellt ist, hindurchgeführt werden.
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Der Fluidverbinder 130 kann mit dem Gehäuse 110 zusammengebaut werden, indem die Enden 104 der Fluidleitungen 102, die durch solches Hindurchführen durch die Öffnung 126, dass sie außerhalb des Gehäuses 110 sind, zugänglich gemacht wurden, in die entsprechenden Flussleitungszugangskanäle 133 eingeführt werden, so dass die Enden 104 innerhalb des Verteilers 131 liegen. Damit zusammenfallend werden die Außenoberflächen des Verbinderkörpers 135 nahe zu den entsprechenden Oberflächen 127 des Gehäuses 110 oder gegen diese angeordnet. Die entsprechenden Oberflächen 127 der Beispielausführungsform werden durch eine in dem Diffusor 114 gebildete Absenkung bereitgestellt. Eine Hartlötlegierung wird zwischen diesen Oberflächen aufgetragen, so dass der Verbinder 130 in dem gemeinsamen Hartlötvorgang mit dem Gehäuse 110 verbunden werden kann, wodurch die Öffnung 126 zusätzlich von der externen Umgebung abgeschlossen wird, um einen Verlust des heißen Gases durch die Öffnung 126 während eines Betriebs zu verhindern.
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Vor dem gemeinsamen Hartlötvorgang wird eine Hartlötlegierungspaste durch die Öffnung 134 in die Hartlötlegierungskammer 132 abgegeben. Die Hartlötlegierungspaste wird bevorzugt nach dem Zusammenbau der Fluidleitungen 102 mit dem Fluidverbinder 130 abgegeben, um ein Verstopfen der offenen Enden 104 mit der Paste während des Einführens der Fluidleitungen 102 in den Fluidverbinder 130 zu vermeiden. Wie am besten in 9 zu sehen ist, wird die Hartlötlegierungskammer 132 so positioniert, dass verhindert wird, dass sie durch die eingeführten Fluidleitungen 102 blockiert wird. Die Flussleitungszugangskanäle 133 werden so angeordnet, dass die Schwerpunktachsen aller solcher Kanäle 133 in einer Ebene ausgerichtet sind. Die Hartlötlegierungskammer 132 erstreckt sich parallel zu dieser Ebene, aber zu dieser versetzt, um sicherzustellen, dass die Kammer 132 nicht vollständig entlang ihrer gesamten Länge blockiert wird, selbst wenn die Kammer 132 im Querschnitt kleiner als die Flussleitungszugangskanäle 133 ist. Dies ermöglicht, dass die Hartlötlegierungskammer 132 auf einem Innenvolumen gehalten wird, das klein genug ist, um einen Überschuss an Hartlötlegierung zu vermeiden, der ansonsten zu einem Verstopfen der Fluidleitungen 102 führen könnte.
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Bei manchen Ausführungsformen der Erfindung wird der Wärmetauscher 101 wie zuvor beschrieben unter Verwendung eines einzigen gemeinsamen Hartlötvorgangs gefertigt und wird nach dem Hartlöten des Wärmetauschers 101 auf Lecks entlang des Fluidflusspfades zwischen dem Einlass- und dem Auslassanschluss 113 getestet. Da die einzigen entlang des Fluidflusspfades erzeugten Verbindungen jene zwischen den Fluidverbindungen 130 und den Fluidleitungen 102 sind, kann der Wärmetauscher 101, falls ein Leckagepfad durch den Leckagetest anzeigt wird, repariert werden, indem zusätzliche Hartlötlegierungspaste (zum Beispiel eine Hartlötlegierungspaste mit einem etwas niedrigeren Schmelzpunkt als die ursprünglich verwendete Hartlötlegierungspaste) in die Hartlötlegierungskammer 132 eingeleitet wird und der Wärmetauscher 101 erneut hartgelötet wird. In dem Fall, in dem kein Leckagepfad während des Leckagetestens angezeigt wird, kann die Hartlötlegierungsverteileröffnung 134 permanent versiegelt werden (zum Beispiel durch Schweißen), um den Fluidflusspfad weiter gegen möglichen Verlust zu versiegeln. Ein solcher Prozess kann besonders vorteilhaft sein, wenn die Flüssigkeit, die entlang dieses Flusspfades zirkulieren soll, eine Gefahr darstellt, wenn ein Verlust auftritt.
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Bei manchen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind die Fluidleitungen 102 des Wärmetauschers 101 mit einem nachgiebigen Teil 125 zwischen den Flussdurchgängen 105 und einer oder beiden der Fluidverbindungen 130 bereitgestellt, wie in 10 gezeigt. Der nachgiebige Teil 125 kann bereitgestellt werden, indem die Länge der Fluidleitungen 102, die sich zwischen den Wellrippenstrukturen 103a, b und der Fluidverbindung 130 erstrecken, erheblich größer als der tatsächliche Abstand dazwischen ist. Bei manchen Ausführungsformen kann der nachgiebige Teil 125 als eine zusätzliche Erweiterung des Spiralprofils jenseits des Gebiets, in dem die Fluidleitungen 102 an die Wellrippenstrukturen angebunden sind, bereitgestellt werden. Solch ein nachgiebiger Teil 125 kann übermäßige Spannungen auf die Hartlötverbindungen zwischen den Fluidleitungen 102 und dem Fluidverbinder 130 zum Beispiel infolge von zyklischen Wärmewechselereignissen verhindern.
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Bei manchen Ausführungsformen der Erfindung kann die Integrität der Hartlötverbindungen zwischen den Wellrippenstrukturen 103a, b und den Rohrwänden 106 verbessert werden, indem dünne metallische Zwischenscheiben 129, die zwischen den Rohrwänden 106 und den Wellrippenstrukturen 103a, b angeordnet sind, hinzugefügt werden, wie in 11 gezeigt wird. Die Anwesenheit der Zwischenscheiben 129 kann den Verlust von Hartlötlegierung an die Spalten zwischen angrenzenden Durchgängen 105 der Fluidleitungen 102 verhindern, welcher dazu führen könnte, dass ungenügend Hartlötlegierung für das Anbinden der Wellrippenstrukturen 103a, b und der Rohrwände 106 verbleibt. Die metallischen Zwischenscheiben 129 können vor dem Einsetzen in eine zylindrische Form umgeformt werden und eine Hartlötlegierung kann auf beiden Seiten der Zwischenscheiben 129 als ein getrenntes Blech, ein Spray, eine Beschichtung, eine Überzugsschicht oder eine andere Form bereitgestellt werden. Während des Hartlötvorgangs werden die Wellrippenstrukturen 103a, b und die Rohrwände 106 und die metallischen Zwischenscheiben 129 zusammengelötet, um eine angebundene Einheit zu bilden. Als ein weiterer Vorteil können die metallischen Scheiben teilweise den Oberflächen der Rohrwand 106 ähneln, wodurch der Wärmewiderstand durch die angebundene Verbindung reduziert wird, indem eine zusätzliche laterale Wärmeverteilung bereitgestellt wird.
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Eine alternative Ausführungsform eines Wärmetauschers 201 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 12 und 13 dargestellt. Der Wärmetauscher 201 verwendet wiederum spiralförmig gewickelte Flussleitungen 202, aber vermeidet die Verwendung von Wellrippenstrukturen. Ein Vorteil einer solchen Gestaltung kann in einer reduzierten Herstellungskomplexität und reduzierten Materialkosten bestehen, allerdings auf Kosten von reduzierter Wärmeübertragung pro Volumeneinheit, die sich aus einem Mangel von erweiterten Wärmeübertragungsoberflächen für das heiße Gas ergibt. Im Gegensatz zu der Ausführungsformen aus 4–7 sind die Flussleitungen 202 des Wärmetauschers 201 relativ zueinander verlagert, so dass keine zwei Spiralachsen zusammenfallen. Wie am besten in 12 zu sehen ist, können die Fluidleitungen 202 so angeordnet werden, dass sie das Innenvolumen eines Gehäusezylinders 210 (ähnlich zu dem Gehäusezylinder 110 der zuvor beschriebenen Ausführungsform) füllen. Eine solche Anordnung stellt im Wesentlichen die Gesamtheit der Außenoberfläche der Fluidleitungen 202 für den Gasfluss, der durch den Wärmetauscher 201 hindurchgeht, frei und stellt mehrere Flusskanäle für das heiße Gas zwischen den überlappenden Windungen der Fluidleitungen 202 bereit. Stäbe 240 erstrecken sich durch die Spiralwindungen, um die relative Anordnung der Fluidleitungen 202 aufrechtzuerhalten. Jeder solche Stab 240 befindet sich innerhalb von zwei der durch Fluidleitungen 202 definierten Spiralen und außerhalb der anderen zwei der Spiralen, so dass die Positionierung der vier Fluidleitungen 202 aufrechterhalten wird. Während die Beispielausführungsform aus 12 und 13 vier Fluidleitungen 202 aufweist, versteht es sich, dass mehr oder weniger solcher Leitungen bereitgestellt werden können. Im Allgemeinen werden, wenn Stäbe 240 vorliegen, die Stäbe 240 bevorzugt so angeordnet, dass sich jeder Stab 240 innerhalb von wenigstens zwei der Spiralen und außerhalb von wenigstens einer der Spiralen befindet.
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Das äußere Gehäuse 210 des Wärmetauschers 201 kann allgemein von ähnlicher Gestaltung wie das äußere Gehäuse 110 des Wärmetauschers 101 sein, einschließlich zum Beispiel von Diffusoren 114 und Fluidverbindungen 130. Der Mangel an Wellrippenstrukturen innerhalb des Wärmetauschers 201 vermeidet die Notwendigkeit, interne Hartlötverbindungen außer den Verbindungen zwischen den Enden der Fluidleitungen 202 und den Fluidverbindungen 130 zu erzeugen. Dies ermöglicht, dass die gesamten Fluidleitungen 202 nachgiebig sind, wodurch eine strukturell robuste Gestaltung ermöglicht wird.
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Eine alternative Konstruktion für den zentralen Kern 128 aus der Ausführungsform aus 4–6 ist in 14–15 dargestellt und ist als 128' identifiziert. Wie in der perspektivischen Explosionsansicht aus 14 gezeigt, beinhaltet der zentrale Kern 128' eine metallische Hülse 301 mit einer allgemein zylindrischen Form, wobei beide Ende der Hülse 301 offen sind. Ein Schlitz 302 erstreckt sich längs entlang der Länge der Hülse 301. Beispielsweise könnten die Hülse 301 und der Schlitz 302 durch Sägen oder anderweitiges Trennen eines Rohrs gebildet werden oder durch Umformen eines flachen Blechs in eine zylindrische Form ohne Verbinden der freien Kanten, wodurch die Bildung des Schlitzes 302 erfolgt. Der Außendurchmesser der Hülse 301 ist bevorzugt etwas kleiner als der Innendurchmesser, der durch die Vertiefungen der Wellrippenstruktur 103b gebildet wird, so dass die Hülse 301 während eines Zusammenbaus leicht in den zentralen Teil des Wärmetauschers eingesetzt werden kann.
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Sobald die Hülse 301 eingesetzt wurde, werden Endkappen 303 in die offenen Enden der Hülse 301 eingesetzt, um die Hülse 301 diametral auszudehnen. Diese diametrale Ausdehnung ordnet den Kern 128' gegen die Vertiefungen der Wellrippenstruktur 103b an, wodurch ein guter Kontakt zwischen den hartzulötenden Oberflächen sichergestellt wird. Die Endkappen 303 können mit einer Reihe von ansteigenden Stufen 304 entlang ihrer Peripherie bereitgestellt werden, wie am besten in der Querschnittteilansicht aus 15 zu sehen ist. Wenn die Endkappen 303 eingesetzt werden, dehnen die ansteigenden Stufen 304 die Schlitzhülle 301 zunehmend in der Radialrichtung aus. Reibung zwischen der einwärts gerichteten Oberfläche der Hülse 301 und den Stufen 304 kann sicherstellen, dass die Endkappen 303 während des Hartlötprozesses innerhalb der Hülse 301 gehalten werden.
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Bei manchen Ausführungsformen können die ansteigenden Stufen 304 mit einer kontinuierlichen kegelförmigen Oberfläche mit einem Winkel, der klein genug ist, um ein Halten der Endkappen durch Reibungskräfte zu ermöglichen, ersetzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Positionierung der Endkappen 303 durch die Verwendung eines oder mehrerer mechanischer Befestigungselemente aufrechterhalten werden. Beispielsweise kann ein Gewindebolzen durch Löcher, die in jeder der Endkappen 303 bereitgestellt sind, eingeführt werden und eine Mutter kann an einem Gewindeende des Gewindebolzens befestigt werden, damit die Positionierung der Endkappen nach dem Einsetzen aufrechterhalten wird. Bei manchen solcher Ausführungsformen kann der Gewindebolzen aus einem Material mit einem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Hülse konstruiert sein, so dass die Endkappen während des Hartlötprozesses weiter in die Hülse gezogen werden, wodurch die Hülse weiter ausgedehnt wird, um sicherzustellen, dass der Kontakt zwischen den zu verbindenden Teilen aufrechterhalten wird. Bei anderen alternativen Ausführungsformen können die Endkappen so gestaltet sein, dass sie sich über einen erheblichen Teil der Länge der Hülse 301 erstrecken, und können mit ansteigenden Oberflächen versehen sein, die angreifen und als Keil fungieren, um die Hülse 301 in der Radialrichtung zu vergrößern.
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Verschiedene Alternativen zu den bestimmten Merkmalen und Elementen der vorliegenden Erfindung sind mit Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Mit der Ausnahme der Merkmale, Elemente und Betriebsarten, die sich gegenseitig mit jeder oben beschriebenen Ausführungsform ausschließend sind oder widersprüchlich dazu sind, ist anzumerken, dass alternative Merkmale, Elemente und Betriebsarten, die mit Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform beschrieben sind, auf die anderen Ausführungsformen anwendbar sind.
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Die oben beschriebenen und in den Figuren veranschaulichten Ausführungsformen sind nur als Beispiele präsentiert und sind nicht als eine Beschränkung der Konzepte und Prinzipien der vorliegenden Erfindung gedacht. Von daher versteht es sich für einen Durchschnittsfachmann, dass verschiedene Änderungen der Elemente und ihrer Konfiguration und Anordnung möglich sind, ohne von der Idee und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
