DE2719307A1 - Gegenstromwaermetauscher - Google Patents

Description

Licht Schmidt Hansmann & Herrmann Patentanwälte

Licht. Schmidt. Hansmann. Herrmann · Postfach 701205 · 8000 München 70 ' Dipl.-Ing. Martin Licht

Dr. Reinhold Schmidt Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

Albert-Roßhaupter-Str. 8000 München 70

Telefon: (089)7603091 Telex: 5 212 284 pats d Telegramme: Lipatli München

29. April 1977 Ho/Lü

JOHN ZINK COMPANY
South Peoria
Tulsa, Oklahoma
V. St. A.

Gegenstromwarmetauscher

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Deutsche Bank München. Kto.-Nr. 82708050 (BLZ 70070010) Postscheck München Nr. 163397-802

Die Erfindung betrifft Gegenstrom- bzw. Querstromwärmetauscher und insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich, Wellplattenwärmetauscher, welche einfach aufgebaut und wirksam im Betrieb sind. Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich, zum Wärmetausch zwischen einem Verbrennungs-Abgas und einem anströmenden Gasstrom, sei dies zur Verbrennung dienende Luft, zu zündendes Abgas bzw. Verbrennungsgas oder dergleichen.

Es ist bekannt, dass der Austausch von Wärme zwischen einem in ein Arbeitsverfahren eintretenden kalten Strom und einem aus einem Verfahren austretenden warmen Strom (oder umgekehrt) zu einer Reduzierung des effektiven Energiebedarfs des Arbeitsverfahrens führt. Es ist infolgedessen bekannt und allgemeine Praxis, an Kesseln, Gasturbinen, Verbrennungsgassystemen und dergleichen die aus dem System austretenden heissen Gase zur Vorwärmung der anströmenden und zur Verbrennung dienenden Luft und/oder zur Vorwärmung von Gichtgasen bzw. Verbrennungsgasen oder Flüssigkeiten zu verwenden, wobei man sich eines Wärmetauschers bedient.

Bei Kältemittel systemen, so bei Anlagen für die Luftverflüssigung, in Wasserstoff-Trennanlagen und dergleichen, ist es allgemeine Praxis, die Wärme zwischen den kalten Produktströmen und den wärmeren Zuleitungsströmen auszutauschen, um die Kühlerfordernisse für das gesamte Verfahren zu reduzieren.

Ein Faktor, welcher die Grosse und die Kosten des Wärmetauschers bestimmt, besteht in der Effizienz der Wärmetauscherfläche. Es kann eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Kombinationen geometrischer Anordnungen von Wärmetauscherflächen benutzt werden, um Wärmetauscher oder Regeneratoren zu schaffen.

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So sind Wärmetauscher mit Platten und Rippen bekannt, wobei die Platten benutzt werden, um die beiden Fluids voneinander zu trennen, während die Rippen als Flächen zur direkten Wärmeübertragung benutzt werden. Bei derartigen Wärmetauschern strömt die komprimierte Luft in dem Kanal bzw. Spalt zwischen angrenzenden Platten und die heissen Abgase strömen durch die Rippen, welche in Sandwich-Form zwischen den zwei Platten vorgesehen sind. Die Rippen sind durch niederohmige Schweissverbindungen mit den Platten verbunden, um ausreichende Wärmeübertragungsbahnen zu bilden. Bei derartigen Konstruktionen ist jedoch eine äusserst exakte und aufwendige Schweissung erforderlich, um die Rippen genau mit den Platten zu verbinden. Die Kosten der Herstellung derartiger Wärmetauschereinheiten liegen infolgedessen sehr hoch.

Bei einer Formgebung von Wärmetauschern sind die vorgenannten Rippen als gewellte Bleche ausgebildet, welche dazu dienen, angrenzende Platten unter Abstand zu halten. Bei komplizierteren Systemen von Mehrfachoder Zweigleitungen werden das kalte Gas und das heisse Gas angrenzend zueinander in den abwechselnd gebildeten Strömungskanälen geleitet. Auch bei derartigen Anordnungen müssen die Platten und die gewellten Bleche metallisch abgebunden werden, um eine ausreichende Wärmeübertragung zu erzielen.

Diese metallische Abbindung kann durch Löten geschehen, wobei die gesamte Einheit und alle Verbindungen mit einer schmelzbaren Lötverbindung bedeckt, in den Lötofen eingebracht und auf hohe Temperatur erhitzt werden, um die erforderliche Abbindung zu erreichen. Es kann auch jeder einzelne Punkt der Berührung von Metall zu Metall manuell oder maschinell geschweisst werden, was sich als sehr unpraktisch erweist.

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Bei Anwendungsfällen, bei welchen grosse Temperaturunterschiede zwischen den Medien bestehen, nimmt das gewellte Blech eine unterschiedliche Temperatur gegenüber der flachen Platte ein, derart, dass starke thermische Spannungen entstehen und als Folge dieser Erscheinung besteht eine Bruchanfälligkeit zwischen den gewellten Blechen und den flachen Platten.

Weitere Versuche, die Wärmeübertragung zwischen Medien mit Hilfe gewellter Wärmetauscher-Platteneinheiten herbeizuführen, sind in der US-PS 3 451 474 beschrieben und dargestellt. Die Vorrichtung nach der vorgenannten Patentschrift besteht aus mehreren gefalteten bzw. gewellten Platteneinheiten, bei welchen die Wellen oder Rippen jeder Einheit unter einem Schrägwinkel bezüglich der angrenzenden gewellten Platte eingestellt sind. Auf diese Weise weist jede Einheit einen einzelnen Kanal bzw. Durchlauf auf. Die Wände jedes Durchlaufs sind jedoch gewellt, um maximale Wirkfläche für das Fluid zu erhalten, welches mit der Wand in Berührung kommen kann. Dies vermittelt eine wirksamere Wärmeübertragung als es mit flachen Metallplatten möglich ist. Da die Wellen der Seitenwände der Wärmetauscher vorgenannter Konstruktion gegenseitig angeschrägt sind, stossen die Wellen der beiden Wände an Punkten aneinander, an welchen sich die Spitzen der Wellen, d.h. die Wellenkuppen, kreuzen, was einen Zusammenbruch der gewellten Anordnung unter äusserem Druck verhindern soll. Ausserdem ist an jedem Ende der Packung von gewellten Platten ein Einlass vorgesehen, derart, dass ein Fluid an einem Ende eingeleitet und am entgegengesetzten Ende wieder abgeleitet werden kann. Die Kanäle für die Abgase bilden jedoch mehrere Kammern, je eine in jeder Platteneinheit, wodurch die eintretenden Heissgase von einer Seite zur anderen umgelenkt und nicht gleichförmig innerhalb des Wärmetauschers verteilt werden. Die Vorrichtung nach vorgenannter US-Patentschrift erfordert auch, dass unter hohem Druck stehende

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Gase von einem Ende in die Seitenwände eingeleitet und von den entgegengesetzten Seitenwänden in diametral gegenüberliegende Enden der Wäi— metauschereinheit wieder abgeleitet werden. Auf diese Weise besteht die Neigung der Entstehung eines Strömungskanals, welcher quer bezüglich der Wärmetauschereinheit verläuft, d.h. das Gegen- oder Querstromprinzip nicht voll zur Anwendung gebracht wird, da sogenannte Totpunkte oder Zwischenräume an jedem Ende der Wärmetauscheranordnung in den Einlass- und Auslassöffnungen in entgegengesetzter Lage entstehen können.

Demgemäss wurde gemäss der Erfindung ein neuartiger Gegen- oder
Querstromwärmetauscher mit gewellten Platten geschaffen, welcher insbesondere so ausgelegt ist, dass er den vorgenannten Nachteilen nicht
unterliegt.

Der Wärmetauscher nach der Erfindung weist ein längliches Gehäuse auf, in welchem mehrere längliche Strömungskanal-Einheiten vorgesehen
sind. Jede einzelne Kanaleinheit besteht aus einem Paar in Längsrichtung sich erstreckender, gewellter Platten, welche entlang der Aussenkanten mittels einer Schweissnaht oder dergleichen gegenseitig abgedichtet sind. Auf diese Weise bestehen mehrere getrennte und in Längsrichtung sich
erstreckende Strömungskanäle innerhalb der Einheit. Die Strömungskanal-Einheiten sind innerhalb des Gehäuses des Wärmetauschers so angeordnet, dass eine kontinuierliche Kammer zwischen jeder einzelnen
Kanaleinheit besteht. Die Kanaleinheiten können auch durch mehrere unter Abstand bestehende Trennstangen bzw. -stäbe voneinander getrennt sein. Die Stangen erstrecken sich dabei durch die gesamte Wärmetauscheranordnung. Die Kammern zwischen jedem Paar angrenzender Kanaleinheiten sind durch eine Versetzung der Wellen einer Einheit bezüglich der Wellen der anderen Einheit gebildet, derart, dass ein gewellter Hochdruck-Kanal zwischen jedem Paar von Kanaleinheiten gebildet ist.

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Die Hochdruck-Strömungsbahn zwischen den Kanaleinheiten dient auch dazu, die Paare gewellter Platten jeder Einheit aufeinander zugewandt zu drücken, um eine bessere Abdichtung der einzelnen Heissluft-Strömungskanäle zu erreichen. Das Gehäuse deckt nur den Mittelteil der Kanaleinheiten ab, derart, dass sich die Kanaleinheiten über das Gehäuse an beiden Enden erstrecken können. Die über das Gehäuse der Kanaleinheiten sich erstreckende Verlängerung gestattet es, das unter hohem Druck stehende Gas in die Wärmetauschereinheit von beiden Seiten, jeweils an einem Ende derselben, einzuleiten. Auch ist es möglich, dass die Verbrennungsluft bzw. -gase von den entgegengesetzten Seiten des Wärmetauschers im Bereich der entgegengesetzten Enden abgeleitet werden kann, um einen direkten Gegenstrom der Gase durch die Kammern zwischen den Heissluft-Kanaleinheiten sicherzustellen, was zur besten Übertragung von Wärme auf diese Gase beiträgt. Röhrenbleche bzw. -platten sind an beiden Enden der Kanaleinheiten vorgesehen. Jedes Röhrenblech weist mehrere Öffnungen auf, welche mit den Heissgas-Strömungskanälen fluchten. Auf diese Weise sind ausserdem die Enden der Kanäle zwischen den Einheiten blockiert oder geschlossen.

Gemäss der Erfindung wurde ausserdem ein Bypass-Kühlsystem geschaffen, welches sich nahe des Heissgas-Einlassendes des Wärmetauschers befindet und welches dazu dient, die Wärmetauscherelemente gegenüber Zerstörung durch äusserst heisse Abgase zu schützen, wenn diese in die Wärmetauschereinheit eintreten. Gemäss der Erfindung wurde ein Wellplatten-Wärmetauscher geschaffen, welcher ohne die als ineffizient anzusehenden flachen Platten arbeitet. Gleichzeitig ist eine gleichförmige Verteilung der kalten Gase innerhalb der Einheit bzw. durch diese sichergestellt. Die Kaltluft kann durch die Kanäle bzw. Durchlässe der Einheiten strömen, während die Heissluft durch die gewellten Zwischenkanäle oder Kammern hindurchgeleitet wird.

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Die Erfindung ist nicht auf vertikale Ausrichtung beschränkt, d.h. der Wärmetauscher kann auch unter einem erwünschten Winkel zur Horizontalen schräg angestellt sein.

Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich insbesondere zur Vei— wendung mit Turbinen, mit Verbrennungsöfen, Kesselanlagen, Verfahrens-Heizgeräten, Öfen und dergleichen. Ein Anteil des erhitzten Fluids kann als Heissluftquelle für Gewächshäuser oder dergleichen benutzt werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht einer Turbinen-Verbrennungskammer, bzw. eines Verbrennungsofens oder dergleichen, bei Verwendung eines Gegenstromwärmetauschers nach der Erfindung;

Fig. 2 ist eine perspektivische Teilschnittansicht der Wärmetauscheranordnung nachFig. 1;

Fig. 3 ist eine Draufsicht des Auslassröhrenbleches der Wärmetauschereinheit;

Fig. 4 ist eine Draufsicht der Wärmetauschereinheit;

Fig. 5 ist eine geschnittene Bodenansicht einer Kühlmittel-Bypass-Anordnung zum Schutz der Wärmetauscherelemente gegenüber heissen Abgasen, von Linie 5-5 in Fig. 1; und

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Fig. 6, 7 und 8 geben verschiedene Querstrom-Wärmetauscheranordnungen unter Verwendung eines Wärmetauscherelementes nach der Erfindung wieder.

In der Zeichnung ist ein Regenerator 10 dargestellt, welcher mit einer Gegenstromwärmetauschereinheit 12 ausgestattet ist. Die Anlage des Regenerators 10 ist im allgemeinen mit einer Verbrennungskammer 14 versehen, die aus einem Verbrennungsofen, aus einer Gasturbine, aus einem Kessel oder dergleichen Einrichtung mit einem Verbrennungslufteinlass 16 und mit einem Heissgasauslass 18 bestehen kann. Die Verbrennungsluft für die Verbrennungskammer 14 wird mittels eines einen Einlass 22 aufweisenden Verdichters 20 zugeleitet. Der Einlass 22 ist an eine Gichtgasquelle bzw. Abgasquelle oder einfach an einen offenen Lufteinlass (nicht dargestellt) angeschlossen. Der Verdichter weist einen Auslass 36 auf. Die Pumpe bzw. der Verdichter 20 kann natürlich benutzt werden, um jedes beliebige Fluid zu pumpen, falls das Erhitzen des Fluids der primäre Zweck des Wärmetauschers ist.

Zum Zwecke der Erläuterung der vorliegenden Anmeldung wird das Regeneratorsystem 10 als Einrichtung beschrieben, welche mit Wärmebzw. Heissluftmaschinen 14 verwendbar ist, derart, dass die ankommende Luft des Verdichters 20 erhitzt wird, indem sie durch Kanäle geleitet wird, welche ihrerseits durch einen Strom von Heissluft oder von Gas aus der Verbrennungskammer 14 erwärmt werden. Der RegeneratoriO weist fernerhin ein vertikal angeordnetes, längliches Aussengehäuse auf, welches mit einem geschlossenen unteren Ende 26 ausgestattet ist. Das obere Ende des Gehäuses ist mit einenn Auslaßstutzen 28 versehen. Das Aussengehäuse weist fernerhin eine Heissluft-Einlassöffnung 30 auf, die sich nahe der Basis befindet und mit dem Auslass 18 der Verbrennungskammer in Verbindung steht. Ein Kompressor-Lufteinlass 32 ist

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im Aussengehäuse 24 zwischen der Heissluft-Auslassöffnung 30 und dem Auslaßstutzen 28 vorgesehen, um die verdichtete Luft vom Auslass 36 in das Aussengehäuse 24 eintreten zu lassen. Eine Kompressor-Luftauslassöffnung 34 ist im Aussengehäuse 24 vorgesehen und befindet sich zwischen der Heissluft-Einlassöffnung 30 und der Kompressor-Lufteinlassöffnung 32. Die Öffnung 34 ist mit dem Lufteinlass 16 der Verbrennungskammer 14 in Verbindung. Das Aussengehäuse des Regeneratorsystems 10 ist in der Zeichnung in zylindrischer Form wiedergegeben, es kann jedoch auch jeden anderen geeigneten Querschnitt besitzen.

Eine Trennplatte 38, deren Aussenumfang der Querschnittsform der Innenseite des Aussengehäuses 24 angepasst ist, ist innerhalb des Gehäuses 24 zwischen der Kompressor-Lufteinlassöffnung 32 und der Kompressor-Luftauslassöffnung 34 angebracht. Die Teilei— oder Trennplatte 38 ist mit einer in der Mitte befindlichen rechtwinkligen Öffnung 40 versehen, deren Zweck nachfolgend erläutert ist.

Gemäss Fig. 2 ist die Wärmetauschereinheit 12 mit einem Innengehäuse 42 versehen, welches rechtwinkligen Querschnitt besitzt und an beiden Enden offen ist. Das obere Ende des Gehäuses 42 ist mit einem durch einen rechtwinkligen Profilkörper gebildeten Rahmen 44 versehen, der den Aussenumfang des Gehäuses umgibt, während das untere Ende des Gehäuses in gleicher Weise mit einem durch einen rechtwinkligen Profilkörper gebildeten Rahmen 46 versehen ist. Auch dieser Rahmen umgibt den Aussenumfang des Gehäuses. Der Mittelteil des Gehäuses 42 ist mit einem dritten, im wesentlichen identischen und durch einen rechtwinkligen Profilkörper gebildeten Rahmen 48 ausgestattet. Die Rahmen 44, 46 und 48 dienen primär dazu, die rechtwinklige Querschnittsform des Gehäuses aufrechtzuerhalten, wenn ein Fluiddruck anliegt. Die Rahmenkörper 44,

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46 und 48 können natürlich auch jede andere Formgebung besitzen, falls sie die erforderliche Festigkeit für die im Inneren des Gehäuses 42 befindlichen Plattenkörper aufweisen.

Mehrere längliche Fluid-Kanaleinheiten 50 sind in Längsrichtung sich erstreckend innerhalb des inneren Gehäuses 42 angeordnet, wobei sich die Aussenenden der Kanaleinheiten über die Enden des Gehäuses 42 nach aussen erstrecken. Jede einzelne Einheit 50 besteht aus einem Paar länglicher, gewellter Platten 52 und 54, welche mehrere, gegenseitig parallele und in Längsrichtung sich erstreckende Rippen 56 aufweisen. Die Platten 52 und 54 sind einander zugewandt angeordnet, wobei entgegengesetzt befindliche gewellte Rippen 56 in Längsrichtung einander berühren, derart, dass mehrere voneinander getrennte längliche Fluid-Kanäle 58 gebildet sind. Diese Kanäle erstrecken sich durch die gesamte Länge jeder Kanaleinheit 50. Die gewellten Platten 52 und 54 können in dieser Position gehalten werden, indem die gesamte Länge der Aussenkanten der Platten 52 und 54 mittels einer geeigneten Schweissnaht 60 verschweisst wird. Die zusammengefügte Kanaleinheit 50 bildet infolgedessen eine längliche, rechtwinklig geformte Packung mit mehreren gegenseitig parallelen einzelnen Strömungskanälen 58. Die Platten werden in Längsrichtung innerhalb des Gehäuses 42 so angeordnet, dass die nach aussen sich erstreckenden Rippen jeder Einheit quer bezüglich der nach aussen sich erstreckenden Rippen jeder angrenzenden Einheit versetzt sind, derart, dass in Längsrichtung sich erstreckende rechtwinklige Kanäle 62 zwischen jedem Paar angrenzender Kanaleinheiten 50 bestehen. Jeder der Kanäle besitzt eine Querschnittsform, welche einer Welle entspricht bzw. dem nach aussen sich erstreckenden Rippenmuster der Kanaleinheiten 50 angepasst ist.

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Mehrere horizontal sich erstreckende Trennstangen 64 können zwischen jedem angrenzenden Paar von Kanaleinheiten 50 vorgesehen sein, um zu verhindern, dass die Kanaleinheiten zusammenbrechen oder auf andere Weise die dazwischen befindlichen Kanäle 62 schliessen. Es sollte wenigstens eine der Trennstangen 64 zwischen jedem Paar von angrenzenden Kanaleinheiten 50 vorgesehen sein, wenn die Wärmetauscheranordnung lang ist, derart, dass die Kanaleinheiten 50 voneinander getrennt verbleiben und gleichmässigen Abstand beibehalten, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist. Wenn die Wärmetauschereinheit jedoch nicht extrem lang ist, dann können die Endbefestigungen ausreichen, um die angrenzenden Einheiten unter gegenseitigem Abstand zu halten, d.h. die Trennstangen 64 sind in diesem Fall entbehrlich.

Die Wärmetauschereinheit 12 ist von länglicher Form und ist in der Mitte innerhalb des Aussengehäuses 24 des Regenerators 10 angeordnet, wobei der untere rechtwinklige Rahmenkörper 46 direkt auf der Oberseite der Teiler- oder Trennplatte 38 aufliegt. Das untere Ende der Kanaleinheiten 50 erstreckt sich dabei durch die Öffnung 40 der Teilerplatte 38. Ein Röhrenblech 66 ist an der Oberseite des oberen Gehäuses 24 zwischen dem oberen Ende des Gehäuses und dem Auslaßstutzen 28 befestigt. Das obere Röhrenblech 66 kann an seinem Umfang mit einer geeigneten Dehnungsverbindung 68 versehen sein und weist mehrere Öffnungen 70 auf. Die Öffnungen 70 sind in Fluchtung mit dem oberen Ende der Kanaleinheiten 50 und in direkter Fluchtung mit den darin befindlichen länglichen Strömungskanälen. Fluid oder Heiss-Abgase, die durch die Strömungskanäle 58 nach oben streichen, passieren infolgedessen die Öffnungen 70 im oberen Röhrenblech 66 und verlassen die Anordnung durch den Auslaßstutzen 28. Da die Öffnungen 70 direkt auf die Strömungskanäle 58 der Kanaleinheiten 50 ausgerichtet sind, ist das obere Ende der Fluidkanäle 62 zwischen den Kanaleinheiten 50 durch

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das Röhrenblech 66 blockiert. Es ist gleichfalls erkennbar, dass der Kanal 62 zwischen den Kanaleinheiten 50 mit dem Inneren des äusseren Gehäuses 24 und mit dem Äusseren des inneren Gehäuses 42 in offener Verbindung steht. Infolgedessen können verdichtete Gase aus der Kompressoreinheit 20 in den Raum zwischen dem Aussengehäuse 24 und dem Innengehäuse 42 mit Hilfe der Kompressoi—Lufteinlassöffnung 32 eingeleitet werden, derart, dass sich die Gase zum oberenTeil der inneren Kammer bewegen und von beiden Seiten der Wärmetauschei— einheit 12 in die Kanäle 62 eintreten.

Ein zweites Röhrenblech 72, welches im wesentlichen identisch ist mit dem Röhrenblech 66, ist innerhalb des äusseren Gehäuses 24 zwischen der Heissgas-Einlassöffnung 30 und der Kompressor-Auslassöffnung 34 angebracht. Das Röhrenblech 72 ist gleichfalls mit mehreren Öffnungen 73 versehen, welche mit den unteren Enden der Strömungskanäle 58 der Kanaleinheiten 50 fluchten.

In Fig. 1 und 5 ist ein kreisförmiges Röhrenblech 74 dargestellt, welches innerhalb des äusseren Gehäuses 24 direkt oberhalb des unteren Röhrenbleches 72, d.h. zwischen diesem und dem Kompressoi—Luftauslass 34 angebracht ist. Das Röhrenblech 74 ist mit mehreren öffnungen 76 versehen, welche im wesentlichen mit den Öffnungen 73 des Röhrenbleches 72 fluchten und in offener Verbindung mit den Strömungskanälen 58 der Kanaleinheiten 50 stehen. Die öffnungen 76 können so ausgerichtet sein, dass sie die unteren Enden der Kanaleinheiten 50 aufnehmen, derart, dass die unteren Enden der Kanaleinheiten direkt mit dem Röhrenblech 72 verbindbar sind. Das untere Ende der Kanaleinheiten 50 kann auch direkt mit den Öffnungen 76 des Röhrenbleches 74 verbunden werden. In diesem Fall sind mehrere Hülsenkörper 78 erforderlich, um die Öffnungen 76 des Röhrenbleches 74 mit den öffnungen 73 des Röhrenbleches 72 zu verbinden.

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Ein Kompressoi—Luftbypasseinlass 80 ist im äusseren Gehäuse 24 zwischen dem Röhrenblech 72 und dem Röhrenblech 74 vorgesehen. Der Einlass 80 ist an eine Bypassleitung 82 angeschlossen. Die Bypassleitung 82 verbindet die Ausgangsleitung 36 des Kompressors 20 mit der innerhalb des äusseren Gehäuses 24 zwischen den Röhrenblechen 72 und 74 gebildeten Kammer, wobei die Verbindung über ein geeignetes Ventil 84 besteht. Das Röhrenblech 74 ist auch mit einer Öffnung 86 versehen, welche sich auf der bezüglich des Einlasses 80 entgegengesetzten Seite befindet. Wenn die Abgase aus der Verbrennungskammer 14 über den Heissluft-Einlass 30 in das äussere Gehäuse 24 eintreten, dann kann Kühlluft aus dem Kompressor durch die Bypassleitung 82 in die Kammer eingeleitet werden, welche zwischen den Röhrenblechen 72 und 74 besteht. Dieses kühlere Gas kann dann durch die Hülsenkörper 78 und um diese herum strömen bzw. durch die unteren Enden der Kanaleinheiten 50 strömen, um eine Zerstörung der Kanaleinheiten infolge extrem heisser Abgase aus der Verbrennungskammer 1 4 zu verhindern. Die kühlende Luft, welche über die Bypass-Einlassöffnung 80 in die Kammer eintritt, gelangt durch die Öffnung 86 des Röhrenbleches 74 und gelangt anschliessend direkt in die Kompressor-Lufteinlassleitung 16 der Verbrennungskammer 14.

Wenn die Verbrennungskammer bzw. die Turbine 14 läuft, dann werden die Abgase derselben in den unteren Teil des äusseren Gehäuses 24 eingäeitet und wenden durch die Röhrenbleche 72 und 74 in die Strömungskanäle 58 der Kanaleinheiten 50 eingeleitet. Die heissen Gase streichen dann durch die Strömungskanäle 58 nach oben und gelangen durch das obere Röhrenblech 66 in den Auslaßstutzen 28. Die Gase werden dann in die Atmosphäre abgelassen oder werden in einen geeigneten Abgas-Nachbearbeitungsmechanismus eingeleitet. Kompressor-Einlassluft für die Verbrennungskammer 14 wird mit Hilfe der Pumpe bzw. mit Hilfe des

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Verdichters oder des Kompressors 20 über die Einlassöffnung 32 in das äussere Gehäuse 24 gepumpt und kann die Wärmetauschereinheit 12 bis zu ihrem oberen Teil umstreichen. Die Kompressorgase treten daraufhin durch die Kanäle 62 zwischen den Kanaleinheiten 50 in die Wärmetauschereinheit 12 ein. Natürlich gelangt ein gewisser Anteil der Gase zwischen die Wände des inneren Gehäuses 42 und der kantenseitigen Kanaleinheiten 50. Die Kompressorluft-Gase gelangen dann nach unten durch die Kanäle 62 und in die Kammer, die zwischen dem Röhrenblech 74 und der Teilerplatte 38 gebildet ist. Die Gase werden dann durch die Auslassöffnung 34 in die Einlassleitung 16 der Verbrennungskammer 14 eingeleitet.

Falls die Abgase der Verbrennungskammer 14 extrem heiss sind, kann Bypass-Luft über die Bypassleitung 82 und das zugeordnete Ventil 84 vom Kompressor 20 abgezweigt und in die Kammer zwischen den Röhrenblechen 72 und 74 eingeleitet werden, um die unteren Enden der Kanaleinheiten 50 zu kühlen, derart, dass die Gase nachfolgend durch die Öffnung 86 und in die Verbrennungskammer-Einlassleitung 16 strömen, um durch die Verbrennungskammer 14 aufgenommen zu werden.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, dass mit der Vorrichtung nach der Erfindung eine wirksame Gegenstromwärmetauschereinheit gebildet wurde, welche dazu dient, Verbrennungsluft vorzuwärmen, bevor diese verbraucht wird. Dieses Erwärmen geschieht durch Überführung der Wärme der Abgase der Verbrennungskammer an die Kompressorluft-Gase, wobei hierzu die gewellten Platten-Kanaleinheiten 50 verwendet werden. Die Wellenform der Kanal ei nhei ten 50 vermittelt die maximale direkte Wärmeübertragung zwischen den Abgasen und der einströmenden Kompressorluft. Da die Kompressorluft bzw. -gase, welche durch die Kanäle 62 der Wärmetauschereinheit 12 strömen, einen

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höheren Druck besitzen als die durch die länglichen Strömungskanäle 58 strömenden Abgase, besitzt dieser höhere Druck zwischen den Kanal ei nhei ten 50 die Neigung, die gewellten Platten 52 und 54 jeder Kanaleinheit in einer abgedichteten Lage zu halten, derart, dass mehrere voneinander getrennte Strömungskanäle 58 zur gleichförmigen Verteilung der Heissgase bestehen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die gewellten Platten 52 und 54 der Kanaleinheiten 50 einfache Sinus-Wellenform auf, obwohl natürlich auch andere Wellen-Formgebungen zur Anwendung gebracht werden können, um das gleiche Ergebnis zu erzielen. Auch ist der Wärmetauscher nicht auf vertikale Anordnung beschränkt. Der Wärmetauscher kann als Querstrom-Tauscheranordnung arbeiten, indem man das unter höherem Druck stehende Gas in eine Seite des Tauschers einströmen und aus der entgegengesetzten Seite abströmen lässt.

Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich zur Verwendung als Querstrom-Wärmetauscher. Ein Anwendungsbeispiel ist im Zusammenhang mit dem Bypass-Kühlsystem nach Fig. 1 dargestellt. Die durch die Bypassleitung 82 und durch das Ventil 84 strömende Luft wird erhitzt, während sie quer bezüglich der vertikalen Strömung der Kanäle 58 geleitet ist.

Andere Anwendungen der gesamten Wärmetauschereinheit 12 als Querstrom-Wärmetauscher sind aus den Fig. 6-8 der Zeichnung ersichtlich.

In Fig. 6 ist eine Wärmetauschereinheit 12a dargestellt, welche im wesentlichen identisch ist mit der Einheit 12, bei welcher sich jedoch das innere Gehäuse 42 bis zum Ende der Kanaleinheiten 50 erstreckt. Ein Lufteinlass 88a ist an einer Seite des Wärmetauschers nahe eines

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Endes desselben vorgesehen und steht in offener Verbindung mit den Kanälen 62 zwischen den Kanaleinheiten 50. Ein Auslass 90a ist in derselben Seite der Wärmetauschereinheit 12a vorgesehen, ist jedoch am entgegengesetzten Ende angeordnet und steht in gleicher Weise mit den Kanälen 62 zwischen den Kanaleinheiten 50 in Verbindung. Die Wärmetauschereinheit 12a ist auch mit einem Leit- oder Prallkörper 92 versehen, der sich zwischen der Einlassöffnung 88 und der Auslassöffnung 90 befindet, um die dazwischen befindlichen Kanäle 62 zu blockieren. Die Leitplatte 92 ist vergleichbar mit einem Röhrenblech, d.h. , dass sich die Längskanäle 58 durch die Leitplatte 92 erstrecken, so dass Heissluft in Längsrichtung durch die Wärmetauschereinheit 12a strömen kann. Die entgegengesetzten Seiten der Kanäle 62 sind mit Hilfe einer Rückleitung 93 verbunden, welche mit den beiden Enden des Kanals 62 zwischen den Einheiten 50 in offener Verbindung steht.

Infolgedessen wird Heissluft in Längsrichtung durch die Wärmetauschereinheit 12a geleitet, während die zu erhitzende Luft in die Wärmetauschereinheit eingeleitet wird. Der Strömungsverlauf erstreckt sich durch die Einlassöffnung 88a, durch die Wärmetauscherkanäle 62, durch die Leitung 93 zurück durch den Kanal 62 der Wärmetauschereinheit 12a, wonach über den Auslass 90a aus dem Wärmetauscher abgeleitet wird.

In Fig. 7 ist ein Wärmetauscher 12b dargestellt, welcher eine Einlassöffnung 88b und eine Auslassöffnung 90b aufweist. Diese stehen mit dem Kanal 62 zwischen den länglichen Kanaleinheiten 50 in Verbindung. Bei dieser besonderen, schematisch wiedergegebenen Ausführungsform ist das Wärmetauschergehäuse an der entgegengesetzten Seite der Einlassund Auslassöffnungen 88b und 90b unter Abstand von der Kante des Wärmetauschers 12b angeordnet, derart, dass eine Kammer 94 besteht. Luft, welche in den Wärmetauscher über die Einlassöffnung 88b eintritt, wird

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in Querrichtung durch den Tauscher in die Kammer 94 eingeleitet und durch den Wärmetauscher zurück aus der Öffnung 90b herausgeleitet. Eine Leitplatte 92a unterteilt den Kanal 62 zwischen den Einlass- und Auslassöffnungen 88 und 90.

In Fig. 8 ist eine dritte, schematisch wiedergegebene Ausführungsform einer Querstrom-Wärmetauschereinheit 12c dargestellt. An einer Seite des Wärmetauschers befindet sich im Bereich eines Endes eine Einlassöffnung 88c, welche mit den Kanälen 62 zwischen den Kanaleinheiten 50 in offener Verbindung steht. Das entgegengesetzte Ende der Wärmetauschereinheit 12c ist mit einer Auslassöffnung 90c versehen, welche auch mit dem darin befindlichen Kanal 62 in offener Verbindung steht. Mehrere versetzte und gestaffelte Leitplatten 96-104 sind unter Abstand entlang der Baulänge der Wärmetauschereinheit 12c angeordnet und erstrecken sich teilweise quer zu dieser, derart, dass ein vorwärts- und rückwärtsgerichtetes Strömungsmuster für die Luft besteht, welche über die Einlassöffnung 88c in den Wärmetauscher eintritt und über die Auslassöffnung 90c aus diesem abströmt.

Geeignete (nicht dargestellte) sich drehende Flügel oder Leitschaufeln können an der Oberseite und an der Unterseite der Wärmetauschereinheit angeordnet werden, um die Hochdruckgase wirksamer in die Kammer 62 zu leiten. Die Leitschaufeln können auch an anderer Stelle vorgesehen sein, um Gase in den Wärmetauscher einzuleiten bzw. aus diesem herauszuleiten.

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L e e r s e i \ e

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE

   1 . Gegenstromwärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen einem in Längsrichtung strömenden ersten Gas geringen Druckes und vorbestimmter Temperatur und einem zweiten, auf einem verhältnismässig höheren Druck stehenden Gas einer anderen Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein längliches, rechtwinkliges Gehäuse (42) aufweist, in welchem sich mehrere längliche Fluid-Kanaleinheiten (50) befinden und sich über die Enden des Gehäuses hinaus ei— strecken, wobei jede einzelne Einheit unter Abstand gehaltene erste und zweite Paare länglicher, gewellter Platten (52, 54) aufweist, derart, dass jede der Platten quer zum länglichen Gehäuse in Wellenform gewellt ist und symmetrische Kuppen und Vertiefungen konstanter Periode besitzen, dass die Platten jedes Paares so angeordnet sind, dass die Wellenkuppen einer Platte ohne Verbindung an den Wellenkuppen der anderen Platte anliegen, wodurch mehrere einzelne und längliche Strömungskanäle (58) zwischen den Kuppen für das erste Gas bestehen, dass das erste Paar der Platten durch geradlinig verlaufende und quergerichtete Trennstangen (64) vom zweiten Paar getrennt sind und gegenüber dem zweiten Paar jeweils eine Phasenversetzung von 180 besitzen, derart, dass das Wellenmuster der Platten an jeder Seite jedes Paares in Längsrichtung sich erstreckende Gegenstromkanäle (62) für das zweite Gas bildet, dass an jedem Ende der Kanaleinheiten je ein Röhrenblech (66) angeordnet ist, um die Enden der länglichen Strömungskanäle zu umschliessen, wobei die Bleche durch mehrere Öffnungen durchsetzt sind, um das erste Gas durch die Strömungskanäle ein- und austreten zu lassen, dass ein ringförmiger Gehäuseeinlass das zweite Gas mit dem

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   Raum zwischen einer der Röhrenbleche und einem Ende des länglichen Gehäuses verbindet und das zweite Gas durch die länglichen Strömungskanäle hindurchleitet, und dass ein ringförmiger Gehäuseauslass zwischen dem anderen Röhrenblech und dem anderen Ende des länglichen Gehäuses vorgesehen, von welchem das zweite Gas abgezogen wird.
2. 2. Gegenstromwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenmuster Sinusform besitzt.
3. 3. Gegenstromwärmetauscher zum Vorerwärmen von Verbrennungsluft, bevor diese in eine Verbrennungskammer eingeleitet wird, bei Verwendung von heissen Abgasen aus der Verbrennungskammer, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein längliches Aussengehäuse (24) aufweist, das am unteren Ende geschlossen ist und am oberen Ende in einen Auslaßstutzen (28) endet, dass innerhalb des äusseren Gehäuses (24) ein längliches inneres Gehäuse (42) angeordnet ist, derart, dass ein Ringraum zwischen den beiden Gehäusekörpern besteht, wobei das längliche innere Gehäuse an beiden Enden offen ist, dass innerhalb des äusseren Gehäuses obere und untere horizontale Röhrenbleche befestigt sind, dass eine Zwischen-Trennplatte (38) zur Befestigung des unteren Endes des inneren Gehäuses dient und einen unteren Abschnitt zwischen der Trennplatte und dem unteren Röhrenblech bildet, dass sich innerhalb des inneren Gehäuses mehrere längliche Kanaleinheiten (50) befinden, deren oberes Ende sich über das obere Ende des inneren Gehäuses erstreckt und die am oberen Röhrenblech enden, dass sich das untere Ende der Kanaleinheiten durch die zwischenliegende Trennplatte erstreckt und am unteren Röhrenblech endet, wobei die Kanaleinheiten durch erste und zweite Paare länglicher, gewellter Platten gebildet sind, dass jede der Platten eine Wellenform mit symmetrischen Kuppen und Vertiefungen konstanter Periode besitzt, wobei die Platten jedes Paares so angeordnet

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   sind, dass die Kuppen einer Platte an den Kuppen der anderen Platte anliegen und auf diese Weise mehrere einzelne längliche und gerade Strömungskanäle zwischen den Vertiefungen bestehen, dass quergerichtet verlaufende Trennstangen das erste Paar der Platten jeweils vom zweiten Paar der Platten trennen, wobei das erste Paar der Platten unter einer Phasenversetzung von 1 80 gegenüber dem zweiten Paar der Platten angeordnet ist, so dass durch das Wellenmuster der Platten an jeder Seite jedes Plattenpaares in Längsrichtung sich erstreckende Strömungskanäle gebildet sind, dass Abgase mittels einer Einrichtung von der Verbrennungskammer vertikal nach oben durch das untere Röhrenblech in die Strömungskanäle und von diesen durch die obere Trennplatte in den Auslassstutzen leitbar sind, und dass eine Einrichtung zur Verbrennung dienende Luft in den Ring raum zwischen dem inneren und dem äusseren Gehäuse einleitet, wonach die Luft zum oberen Ende der Strömungsverbindung gelangt und im Gegenstrom zu der Strömung der Abgase in den Strömungskanälen nach unten geleitet wird, in den unteren Abschnitt gelangt und von diesem in den Einlass der Verbrennungskammer eintritt.
4. 4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Röhrenblech-Trennplatte zwischen der Zwischen-Trennplatte und dem unteren Röhrenblech besteht und einen Strömungszwischenraum bildet, und dass zur Verbrennung dienende Luft mittels einer Einrichtung in den Zwischenraum einleitbar ist.
5. 5. Gegenstromwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen jeder gewellten Platte im Querschnitt Sinusform besitzen.
6. 6. Gegenstromwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das längliche innere Gehäuse rechtwinkligen Querschnitt besitzt.