DE2342173B2

DE2342173B2 - Stapeiförmiger Plattenwärmeaustauscher

Info

Publication number: DE2342173B2
Application number: DE2342173A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Joseph Milford Stein; Salvatore Orange Straniti
Original assignee: Avco Corp
Current assignee: Avco Corp
Priority date: 1972-11-16
Filing date: 1973-08-18
Publication date: 1978-11-30
Also published as: GB1419840A; SE420345B; US3831674A; DE2342173A1; JPS5240469B2; FR2207266A1; FR2207266B1; JPS4981946A; JPS5241500B2; DE2342173C3; SE7613672L; IT996458B; JPS5274948A

Description

Fig.4 eine der Fig.3 entsprechende Ansicht, allgemein in Blickrichtung des Pfeils S nach der F i g. 2.

Der Plattenwärmeaustauscher 10, siehe die F i g. 1, ist für die Befestigung an einer Gasturbine .in einer Stelle stromab zu der letzten Turbinenstufe vorgesehen. Die Turbine als solche kann herkömmliche, wie bei Regenerativ-Turbinen übliche Bauart aufweisen. Das heiße Abgas der Turbine tritt in die Mitte des Wärmeaustauschers 10 ein und wird dann radial nach außen durch einen Plattenstapel 11 zu einem Abgassystem geführt, das eine umgebende Leitung 12 aufweist Der Plattenwärmeaustauscher 10 weist einen Adaptorrahmen 14 auf, der an einem Rahmenteil der Turbine befestigt sein kann. Der Adaptorrahmen 14 besitzt eine Mehrzahl Kanäle 16 und 18, die in entsprechender Weise mit den Turbinenkanälen, nicht gezeigt, verbunden sind, welche sich von dem Kompressor der Turbine aus zu der Verbrennungskammer derselben erstrecken. Die Kompressorkanäle 16 sind mit einer Mehrzahl Einlaßöffnungen 20, siehe die Fig.2, ausgerichtet, die längsseitig durch den Plattenstapel 11 durchsetzt sind. Die Kanäle 18 der Verbrennungskammer sind mit einer Mehrzahl Auslaßöffnungen 22 ausgerichtet, die ebenfalls längsseitig durch den Plattenstapel 11 durchsetzen. Querseitige Fließwege zwischen benachbarten öffnungen 20 und 22 ergeben den primären Wärmeaustausch zwischen dem radial fließenden heißen Abgas und der unter Druck stehenden Kompressorluft Der Plattenwärmeaustauscher 10 weist weiterhin einen Stirnrahmen 24 und eine Stirnplatte 26 auf, die stromab die Begrenzung des Fließweges des heißen Abgases darstellen, so daß die Gesamtmenge der heißen Abgase radial nach außen durch den Plattenstapel 11 gewendet und durch das Auslaßsystem herausgeführt werden kann.

Der Plattenstapel 11, siehe die Fig.2, weist eine Reihe abwechselnd angeordneter Platten 11a und 116 auf, die im Umriß identisch sind und sich im wesentlichen bezüglich der darin ausgebildeten, den Fließweg begrenzenden Verformungen unterscheiden. Die Platten 11a und 116 liegen in Form ringförmiger Scheiben vor, die innere und äußere Flansche 28 und 29 besitzen. Die Platten der Flansche 11a springen in einer axialen Richtung und die Flansche der Platten 1 \b in der entgegengesetzten axialen Richtung, siehe die Fig.2, vor. Aufeinanderfolgende Plattenpaare H a und H 6 sind somit so angeordnet, daß deren Flansche 28 und 29 Fläche-an-Fläcke liegen. Diese aufeinander abgestimmten Flansche werden nahtgeschweißt oder in anderer Weise um deren vollständige Umfange herum miteinander verbunden. Die in dieser Weise miteinander verbundenen Plattenpaare begrenzen die axialen Fließwege zwischen den öffnungen 20 und 22. Die öffnungen 20 und 22 weisen ausgerichtete Randöffnungen 20a, 2Oi) und 22a, 22b auf, die in den Platten 11 a bzw. HZ» ausgebildet sind. Die Oberflächen der Platten Ha und 116, die bezüglich der Flanschverschweißungen nach außen gerichtet sind, werden z. B. vermittels Verschweißen um den Umfang der Randöffnungen 22a, 226 und 20a, 20b, siehe die Fig.4, verbunden. Der Plattenstapel 11 ist somit balgenartig verbunden.

Die Plattenpaare Uaund 11 bbegrenzen abwechselnde Fließwege für die Kompressorluft und das heiße Abgas, sowie die öffnungen 20 und 22. Der Plattenstapel 11 kann weiterhin als eine Reihe Unterstapei ausgebildet sein, siehe die US-PS 33 85 353. Bei einer derartigen Anordnung, siehe die F i g. 1 und 2, ist eine ausgewählte Anzahl an Platten Ua und 116 so miteinander verbunden, wie weiter oben erläutert, und deren gegenüberliegende Enden sind an etwas dickeren Zwischenplatten 30 befestigt die Öffnungen entsprechend den Randöffnungen 20a, 206 und 22a, 226 aufweisen, sowie weiterhin Positionierungsvorspränge vorgesehen sind, die durch die Stangen 32 in ihrer Lage gehalten werden und sich über die gesamte Länge des Stapels 11 erstrecken.
Unter Bezugnahme auf die F i g. 2 sieht man, daß die

ίο Einlaßöffnungen 20 eine Dreiecksform mit konkaven Seiten aufweisen und die entsprechenden Auslaßöffnungen 22 elliptisch ausgebildet sind.

Speziell weist jede der Platten Ha eine Reihe Verformungen 34 zwischen benachbarten Öffnungen 20 und 22 auf. Die Verformungen 34 erstrecken sich allgemein radial von dem inneren Flansch 28 zu dem äußeren Flansch 29 und sind weiterhin gekrümmt um so der Krümmung der Seiten der Öffnungen 20a und 226 zu entsprechen, zwischen denen sich dieselben erstrekken. Jede Platte 1 ig ist verwickelter verformt

Zunächst liegen Fließwege vor, die durch die Verformungen 36 und 38 begrenzt werden und sich am Rand der Randöffnungen 226 bzw. 206 erstrecken. Die Verformungen 36 und 38 sind in ähnlicher Weise wie die

2; Verformungen 34 gekrümmt und sind bezüglich derselben phasenverschoben, so daß ein dichtender Eingriff abgestimmter Verformungen 34 beziehungsweise benachbart zu den Randöffnungen 22a und 20a vorliegt. Die Verformungen 36 an gegenüberliegenden

3d Seiten der Auslaßöffnungen 22 erstrecken sich von dem äußeren Flansch 296 aus nach innen und enden an einer Stelle außerhalb des inneren Flansches 286. In ähnlicher Weise erstrecken sich die Verformungen 38 an gegenüberliegenden Seiten jeder Einlaßöffnung nach außen von dem inneren Flansch 286 aus und enden im Abstandsverhältnis bezüglich des äußeren Flansches 296. Zwischen den Verformungen 36 und 38 liegt eine Reihe wellenförmiger Verformungen 40 geringerer Höhe als derjenigen der radialen Verformungen vor,

4» deren Krümmung derjenigen Verformungen 34 der ersten Platte Ha entspricht und deren Wellenform gegenüber derjenigen der ersten Platte 11a phasenverschoben ist. Man sieht weiterhin, daß sich die Reihen der Verformungen 40 von dem inneren Flansch 286 zu dem

4") äußeren Flansch 296 erstrecken. Weiterhin liegt eine Reihe axialer Verformungen 42 vor, die sich zwischen den in gleicher Richtung erstreckenden Teilen der Verformungen 36 und 38 befinden. Die Höhe der axialen Verformungen 42 entspricht derjenigen der Verformungen 36 und 38, so daß ein Gitter von Eingriffs- oder Berührungspunkten zwischen den Verformungen 34 und 42 innerhalb der Grenzen vorliegt, wie sie sich durch die in gleicher Richtung erstreckenden Teile der Verformungen 36 und 38 ergibt und wird hier als Zone

Vi der primären Wärmeübertragung bezeichnet. In den darüber und darunter liegenden Flächen sind Einlaß- und Auslaßkammern vorgesehen, die eine waffeiförmige Oberfläche besitzen. Die letztere wird durch die wellenförmigen Verformungen 40 und axialen Verfor-

i.i mungen 44 ausgebildet, die die gleiche geringere Höhe besitzen.

Die beschriebene Ausbildung der Platten 11 a und 116 bedingt axiale Fließwege von einer Einlaßöffnung 20 zu den benachbarten Auslaßöffnungen 22 an jeder Seite

.· - derselben. Das äußere Gitterwerk der Verformungen 40 und 44 geringerer Höhe bildet eine seitliche Einlaßkammer, die an dem linken Ende derselben durch den linearen Eingriff zwischen der Verformung 36 und der

hierzu abgestimmten Verformung 34 begrenzt wird. Von dieser seitlichen Einlaßkammer aus erstreckt sich der axiale Fließweg radial nach innen zwischen den sich in gleicher Richtung erstreckenden Teilen der Verformungen 36 und 38 unter Ausbilden einer Zone der primären Wärmeübertragung, und sodann durch eine Auslaßkammer ähnlich der Einlaßkammer, wie weiter oben beschrieben, mit der Ausnahme, daß die öffnung derselben die Luft in Richtung auf die Auslaßöffnung 22 richtet.

Man sieht, daß der hier beschriebene axiale Fließweg über seine Länge zu einer sich verändernden Querschnittsfläche und längsseitigen Querschnittsfläche führt, die die Grenzschichten möglichst klein hält, wodurch die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung erhöhl wird. Man sieht weiterhin, daß das Gitter der Verformungen in der primären Wärmeübertragungszone, und zwar zwischen den sich in gleicher Richtung erstreckenden Flächen der Verformungen 36 und 38, die Veränderungen der Fließwegfläche ausgeprägter werden, um so einen höheren Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zu erreichen. Dies steht im Gegensatz zu den Einlaß- und Auslaßkammern, die zwar eine Veränderung der Fließfläche ergeben, jedoch auch einen seitlichen Fluß der Luft erleichtern, um so den Eintritt und den Austritt derselben aus der primären Fläche zu erleichtern.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 begrenzen die Verformungen an der rechten Seite der Randöffnung 20b zwischen der nächsten benachbarten Auslaßöffnung 22 die gleiche Reihe einer Eintrittskammer, primären Austauscherzone und Auslaßkammer, wie weiter oben beschrieben. In beiden Fällen tritt die von der Einlaßöffnung 20 kommende Luft in die äußere Ecke des Gitterwerks ein und fließt sodann radial nach innen. Dies bedeutet, daß die durch die Einlaßöffnung 20 hindurchtretende Luft einen gespaltenen axialen Fließweg zu den beiden benachbarten Auslaßöffnungen 22 aufweist, und in ähnlicher Weise empfangen beide Auslaßöffnungen 22 den axialen Fluß von den an jeder Seite derselben angeordneten Einlaßöffnungen 20, siehe in diesem Zusammenhang auch die F i g. 2.

Unter Bezugnahme auf die F i g. 4 sind die Platten 11a und üb so wiedergegeben, daß dieselben einen Teil des radialen Fließweges für das heiße Abgas durch den Plattenstapel begrenzen. Man sieht, daß die Verformungen 34 ebenfalls ein Gitter von Berührungspunkten mit den axialen Verformungen 42 in der Platte 116 bilden, wodurch ein Fließweg für das heiße Abgas ausgebildet wird, der sich bezüglich seiner Fläche von dem inneren Umfang ausgehend von den Platten 11a und 11 b zu dem äußeren Umfang derselben erheblich verändert.

Bezüglich jedes Falles ergibt sich weiterhin, daß der Sekundärfluß der Kompressorluft von den Einlaßöffnungen 20 zu den Auslaßöffnungen 22 entgegengesetzt zu dem Fluß des heißen Abgases in der primären Fläche des Wärmeaustausches erfolgt.

Alle diese Faktoren tragen zu einer hohen Geschwindigkeit des Wärmeaustausch« und somit hohem Wirkungsgrad bei. Die hier beschriebene Konfiguration sowohl bezüglich der axialen Fließwege der Kompressorluft als auch der Fließwege des heißen Abgases hat sich weiterhin als sehr wirksam dahingehend erwiesen, daß Druckabfälle hinten angehalten werden, wodurch eine Verringerung des Gesamtwirkungsgrades, soweit auf derartige Faktoren zurückführbar, gering gehalten wird.

Ein weiterer zu beachtender Faktor besteht darin, daß die hier beschriebenen Verformungen der Platten 11a und HZj den Gesamtwirkungsgrad des Wärmeaustauschers günstig dahingehend beeinflussen, daß der Federeffekt oder Federung dieser gewellten Verformungen Belastungen in den Platten hinten anhält, die sich zwangsläufig unter den Betriebsbedingungen einer hohen Temperatur ergeben. Dies bedeutet, daß bei Betrieb des stapeiförmigen Plattenwärmeaustauschers die Platten 11a und 116 sich zusammenziehen und ausdehnen, wodurch Druckkräfte auf die Platten als solche ausgeübt werden, deren Größe sich in Abhängigkeit von Arbeitsbedingungen verändert. Die somit erzielten geringen thermischen Belastungen für ein gegebenes Plattenmaterial ergeben dadurch die Möglichkeit, ein Material mit dünnerem Querschnitt anzuwenden, wodurch weiterhin eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung erzielt wird. Die Möglichkeit, ein Material mit dünnerem Querschnitt für die Platten 11a und 116 anzuwenden, führt auch zu einer Verringerung des Gesamtgewichtes des Wärmeaustauschers, so daß bei einer für den Antrieb eines Flugzeuges angewandten Gasturbine dieselbe auch einen höheren Wirkungsgrad bezüglich des gesamten Flugzeugsystems erhält

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Stapeiförmiger Plattenwärmeaustauscher mit ringförmigen, paarweise um deren Umfang herum zusammengefaßten Platten, von welchen die erste Platte mit radial verlaufenden, wellenförmigen Verformungen und die zweite Platte mit konzentrisch bezüglich der Plattenachse verlaufenden wellenförmigen Verformungen versehen ist und die radialen und konzentrischen Verformungen auf einander aufliegen und mit in Achsrichtung verlaufenden, die Platten durchsetzenden Einlaß- und Auslaßöffnungen für das zu erwärmende Gas und radialen Einlaß- und Auslaßöffnungen zwischen den Plattenpaaren für das von innen nach außen is strömende heiße Gas, dadurch gekennzeichnet, daß die, die Platten durchsetzenden Einlaßöffnungen (20) eine Dreiecksform mit konkaven Seiten aufweisen und die entsprechenden Auslaßöffnungen (22) elliptisch ausgebildet sind, daß die zwischen diesen Einlaß- und Auslaßöffnungen (20,22) liegenden radial verlaufenden Verformungen der ersten Platte eine Krümmung aufweisen, deren Verlauf den Seiten der Einlaß- und Auslaßöffnungen (20,22) angepaßt ist, und daß die zweite Platte (Ub) zusätzlich zu den konzentrischen Verformungen (42) wellenförmige Verformungen (40) mit geringerer Höhe als die der radialen Verformungen aufweist, deren Krümmung derjenigen Verformungen (34) der ersten Platte (11a,) entspricht und deren Wellenform gegenüber derjenigen der ersten Platte (Ua) phasenverschoben ist.

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Die Erfindung betriff! einen stapeiförmigen Plattenwärmeaustauscher mit ringförmigen, paarweise um deren Umfang herum zusammengefaßten Platten, von welchen die erste Platte mit radial verlaufenden, wellenförmigen Verformungen und die zweite Platte mit konzentrisch bezüglich der Plattenachse verlaufenden wellenförmigen Verformungen versehen ist und die radialen und konzentrischen Verformungen aufeinander aufliegen und mit in Achsrichtung verlaufenden, die Platten durchsetzenden Einlaß- und Auslaßöffnungen für das zu erwärmende Gas und radialen Einlaß- und Auslaßöffnungen zwischen den Plattenpaaren für das von innen nach außen strömende heiße Gas (US-PS 24 240). ™

Plattenwärmeaustauscher der angegebenen Art dienen insbesondere dazu, die Wärme von Turbinenabgasen auf die von dem Turbinenkompressor kommende Luft zu übertragen, die in der Verbrennungskammer verbrannt wird, da die Vorerhitzung der Verbrennung- ν, luft eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Turbine bedingt. Hierbei ist im Hinblick auf die hohe Fließgeschwindigkeit der Abgase eine schnelle Wärmeübertragung erforderlich, die eine leichte Bauweise erforderlich macht, was bei der Anwendung von wi Flugzeugen, wie Hubschraubern, aus Gewichtsgründen zweckmäßig ist, jedoch im Hinblick auf die Stabilitätsanforderungen Grenzen gesetzt sind. Der Plattenwärmeaustauscher sollte weiterhin so ausgebildet sein, daß ein turbulenter Fluß der Gase erzeugt wird, da "> hierdurch das Ausbilden wärmeisolierender laminarer Strömungen an den Wärmeaustauscheroberflächen vermieden wird. Desgleichen müssen übermäßige Druckabfälle vermieden werden, die den thermischen Wirkungsgrad ebenfalls verringern.

Zur Erfüllung dieser Erfordernisse ist nun ein stapeiförmiger Plattenwärmeaustauscher der eingangs angegebenen Art bekannt Weiterhin ist ein einschlägiger Wärmeaustauscher nach der US-PS 33 85 553 bekannt, der dreieckförmige Einlaßöffnungen und elliptische Auslaßöffnungen für die zu erwärmende Kompressorluft aufweist

Dieser Stand der Technik stellt zwar eine Verbesserung gegenüber Plattenwärmeaustauschern dar, bei denen die Verformungen rechtwinklig zueinander verlaufen bzw. zwei Platten zueinander rechtwinklig so angeordnet sind, daß sich Kreuzungen der Verformungen ergeben. In diesem Zusammenhang sind die Verformungen auch schrägwinklig zueinander angeordnet worden.

Wenn auch der stapeiförmige Plattenwärmeaustauscher nach der US-PS 34 24 240 eine Verbesserung des Grades des Wärmeaustausches pro Fläche bzw. Gewicht bzw. Volumen des Wärmeaustauschers gebracht hat, ist man bestrebt den gesamten Wirkungsgrad derartiger Wärmeaustauscher weiter zu verbessern. Selbst geringfügige Gewichtseinsparungen sind von Bedeutung, da sich z. B. bei einem Hubschrauber für eine Gewichtseinsparung von 1 Einheit ein Zuleitungsfaktor von 5 Einheiten ergibt. Auch die Verbesserung des Wärmeaustausches bedingt natürlich zusätzliche günstige Faktoren.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen stapeiförmigen Plattenwärmeaustauscher zu schaffen, der sich durch einen verbesserten Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik auszeichnet.

Diese Aufgabe wird nun in kennzeichnender Weise dadurch gelöst, daß die, die Platten durchsetzenden Einlaßöffnungen eine Dreiecksform mit konkaven Seiten aufweisen und die entsprechenden Auslaßöffnungen elliptisch ausgebildet sind, daß die zwischen diesen Einlaß- und Auslaßöffnungen liegenden radial verlaufenden Verformungen der ersten Platte eine Krümmung aufweisen, deren Verlauf den Seiten der Einlaß- und Auslaßöffnungen angepaßt ist, und daß die zweite Platte zusätzlich zu den konzentrischen Verformungen wellenförmige Verformungen mit geringerer Höhe als die der radialen Verformungen aufweist, deren Krümmung derjenigen Verformungen der ersten Platte entspricht und deren Wellenform gegenüber derjenigen der ersten Platte phasenverschoben ist.

Die, durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß eine hohe Geschwindigkeit der Wärmeübertragung zusammen mit einer geringen Behinderung des Gasflusses und somit geringer Druckabfall erzielt wird gleichzeitig mit einer kompakten, widerstandsfähigen und leichtgewichtigen Bauart, wodurch sich eine wesentliche Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Plattenwärmeaustauschers ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungsfiguren dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen stapeiförmigen Plattenwärmeaustauscher;

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht, teilweise auseinandergezogen, eines Plattenstapels nach der Erfindung;

F i g. 3 eine weggebrochene perspektivische Ansicht, in stark vergrößertem Maßstab, allgemein in Blickrichtung des Pfeiles A nach der F i g. 2 und zeigt ein Plattenpaar zwischen denen das heiße Gas von innen nach außen strömt;