DE2907810C2

DE2907810C2 - Wärmetauscher zur Führung von Gasen stark unterschiedlicher Temperaturen

Info

Publication number: DE2907810C2
Application number: DE2907810A
Authority: DE
Inventors: Hubert Dr.-Ing. 8034 Unterpfaffenhofen Grieb; Wilfried Dipl.-Ing. 8060 Dachau Klussmann
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1979-02-28
Filing date: 1979-02-28
Publication date: 1985-07-04
Also published as: GB2043231A; US4475586A; FR2450431B1; DE2907810A1; FR2450431A1; GB2043231B

Description

a) Die mit strömungsgünitig zugespitzten Enden an- und abströmseitig in der Heißgasströmungs-ichtung (C) liegenden Druckluftleitungen (3) der Matrix (2) weisen einen linsenförmigen Querschnitt t.uf;

b) die jeweils parallel 7\; einer gemeinsamen Matrixquerebene verlaufend angeordneten Druckluftleitungen (3) greifen mit ihren an- bzw. abströmseitig einander benachbarten Profilzuspitzungen unter Ausnutzung der infolge dieser Zuspitzungen sich räumlich ausbildenden Erweiterungen ineinander;

c) jede Druckluftleitung (3) der Matrix (2) enthält zwei durch einen Profilquersteg (7) voneinander getrennte Druckluftkanäle (8, 9), die im Sinne der beiden zugespitzten Außenwandabschnitte der Druckluftleitung dreieckförmig ausgebildete Strömungsquerschnitte aufweisen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch !. dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftleitungen aus je zwei Hälften mit vordefinierter Profilstruktur für die Druckluftführung zusammengesetzt sind, die durch Löten untereinander verbunden sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftleitungen (3), bzw. die von diesen gebildeten Matrix-Profilkörperreihen in Übereinstimmung mit der Heißgasströmungsrichtung (Ci) schräg /ur Längsachse des Sammelrohrs (6) \ erlaufend angeordnet sind.

4. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluftleitungen (3) durch Einbringung geeigneter Schikanen, z. B. in der Art über die Druckluftleitungen (3) gestülpter, gleichzeitig als Abstandshalter wirkende Platten (13), gegen Überbeanspruchungen durch Schwingungs- oder Stoßbelastungen geschützt sind.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Wärmetauscher ist aus den US-Patentschriften 37 46 038 oder 40 36 293 bekannt
Vorteil einer derartigen bekannten Wärmetauscherkonzeption werden zum einen in der vergleichsweise praktisch gestaltbaren Grundkonzeption, bzw. in der einfachen Gestaltung der Gas- und Luftführungen gesehen, wonach dieser bekannte Wärmetauscher im Rahmen der Gattung u. a. aus einem Sammelrohr besteht, welches sowohl für die Kaltluftzufuhr in die Matrix als auch für die Heißluftabführung aus der Matrix mit zwei voneinander getrennten Rohrführungen ausgebildet isL Die dabei seitlich vom Sammelrohr U-förmig auskragende Matrix ermöglicht eine Aufteilung in separate Rohrleitungen, wodurch thermisch beeinflußte unterschiedliche Rohrdehnungen und -zusammenziehungen der Matrix selbst, wie aber auch zwischen άτ Matrix und den betreffenden Zentralrohranschlußpartien, berücksichtigt sind. Demnach ergibt sich bei diesem bekannten Wärmetauscher eine vergleichsweise niedrige Thermoschockempfindlichkeit durch freie Wärmedehnung der Rohrbündel-Matrix ohne nennenswerte Belastungen der Verbindung Rohr-Matrix/Zentralrohr, was wiederum zu vergleichsweise geringen Leckageanfälligkeiten führt.

Bei dem bekannt -n Wärmetauscher läßt sich fernerhin schon eine vergleichsweise hohe gasseitig zulässige Eintrittstemperatur und damit ein vergleichsweise hoch zu veranschlagendes Temperaturgefälle Gas/Luft erzielen.

Neben einer vergleichsweise jedoch mäßigen Matnxdichte (tauschenden Oberfläche pro Volumeneinheit) bei noch akzeptablen Röhrchendurchmessern sowie einer vergleichsweise geringen Widerstandsfähigkeit der Röhrchen-Matrix gegenüber Schwingungs- und Stoßbelastungen, z. B. als Ursache instationärer Betriebszustände. wird bei diesem bekannten Wärmetauscher der wesentliche Nachteil der geschilderten Röhrchcn-Ma trix in dem aus der Röhrchen-Matrix-Profilgebung und -Anordnung resultierenden, insgesamt vergleichsweise noch niedrig zu veranschlagenden Wärmeaustauschgrad gesehen.

Es ist zwar schon gemäß der DE-PS 2 64 015 bei einem Speisewasservorwärmer zur Verwertung der Abgase von Verbrennungsmotoren für sich bekannt, mehrere Reihen senkrechter Wasserrohre mit schlank rhombischem Querschnitt im Zuge der Abgase zueinander versetzt und ineinandergreifend hintereinander an-

SO zuordnen, um so — im Rahmen der zulässigen Gasversperrung zwischen den einzelnen Matrix-Hohlprofilen — bei möglichst geringen Gasreibungswiderständen vergleichsweise hohe Gasgeschwindigkeiten ermögli chen zu wollen.

Diese überwiegend aerodynamischen, aus der äußeren Profilkonturierung und -Anordnung sich ergebenden Kriterien wären aber als Ersatz für die eingangs erörterte, aus den erwähnten US-Patentschriften bekannte Röhrchenmatrix keinesfalls geeignet, dem gattungsgemäßen Wärmetauscher hinsichtlich einer wesentlichen Erhöhung des angestrebten Wärmeaustauschgrades, bzw. der Wärmeübergangszahl, zu einem nennenswerten Durchbruch gegenüber Bekanntem zu verhelfen.

Aus der US-PS 37 64 525 ist ferner eine Wärmetausch-Einrichtung zur Abkühlung geschmolzenen Glases bekannt, bei der jeweils einstückige, zur gleichzeitigen Hin- und Rückführung von Kühlwasser durch-

strömte Kühlkörper vorgesehen sind, deren beide jeweils parallel übereinander liegenden Kühlwasserführungskanäle im wesentlichen flach-elliptisch konturiert sind; in einer gemeinsamen Längsebene der Einrichtung soll dabei der eine Kühlwasserführungskanal zuführungsseitig an ein Wassereinlaßrohr, der andere Kühlwasserführungskanal austrittsseitig an ein Wasserauslaßrohr angeschlossen sein, wobei das vom Ein- und Auslaßrohr abgewandte Ende des Kühlkörpers als Strömungsumlenkkanalführung ausgebildet ist. Im Wege dieser bekannten Einrichtung sollen gruppenartig zwischen die einzelnen Kühlkörper zu schaltende Glasfaserbahnen möglichst allseitig homogen in ruhender Atmosphäre abkühlbar seia. um so allseitig gleichförmige Glasfaser- bzw. -fadendurchmesser gewährleisten zu wollen.

Bereits aus der Sicht des gattungsgemäß grundsätzlich unterschiedlichen Wärmetauscherkonzepts, dessen Kreuz-Gegenstrom-Profilrohr-Bündel-Matrix einerseits von verhältnismäßig »kalter« Druckluft durchström-, andererseits von verhältnismäßig heißen Gasen umströmbar sein soll, vermittelt diese bekannte Lösung nach der US-PS 37 64 525 weder aufgaben- und noch lösungsseitig unter anderem einen greifbaren Hinweis zur Optimierung des Wärmeaustauschgrades mit zugleich damit einhergehender kompakter Matrixbauweise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher nach der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen vergleichsweise hohen Wärmeaustauschgrad bei zugleich kompakter und festigkeitsmäßig stabiler Matrix-Bauweise ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe ist mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Die Anordnung und Ausbildung der mit einem linsenförmigen Querschnitt ausgestatteten Druckluftleitungen ermöglicht zum einen eine optimale aerodynamische Effektivität (Wärmetauschleistung/Reibleistung) auf der Gas· eite. Unter Bereitstellung der zulässigen Heißgasversperrung kann eine Vielzahl derartiger aerodynamisch optimierter Rohrleitungen bzw. Matrixhohlprofilkörper zu einer vergleichsweise kompakten Matrix bei zugleich hoher Matrixdichte ineinander »verschachtelt« zusammengefügt werden.

Gegenüber einer z.B. rein rhomb sehen Hohlprofilgestaltung wird ferner im Wege der beiden dreieckförmigen Kanalquerschnitte in Verbindung mit der profilmittigen Querstegsanordnung eine vergleichsweise große luftseitige Wärmeüber'.ragungsfläche bereitgestellt. wobei die »hydraulischen Durchmesser« der betreffenden, die D-uckluft führenden Kanäle wiederum vergleichsweise gering zu veranschlagen sind.

Diese vergleichsweise kleinen »hydraulischen Durchmesser« sind ein zusätzlicher vorteilhafter Beitrag zur gleichzeitigen Verringerung des erforderlichen Matrix-, und damit des Einbauvolumens (Kompaktheit).

Vorteilhafterweise er/wmgt also die entsprechend dem linsenförmigen Querschnitt eines Matrixhohlprofils b/w. einer Matrixrohrleitung dreieckförmige Profilinnnenstruktur für die Luftkanäle eine zur Erhöhung des Wärmeaustauschgrades wesentlich günstigere Kanalform, bei der auch die bekanntlich vergleichsweise hoch-temperaturbelastete Profilvorder- und Hinterkante durch gezielte innenluftbespülung intensiv in den so optimierten Wärmetauschprozeß mit einbezogen werden kann. Diese, den besonders hochtemperaturbelasteten Profilvorder- und Hinterkantenbereich intensiv erfassende Innenluftbespülung läßt wiederum eine verminderte Abbrand- bzw. Verschleißgefahr insbesondere der heißgaseintrittsseitig anzuordnenden Matrixprofiirohrreihen erwarten.

Durch die angegebene Matrixprofilrohrinnenkanalanordnung und -ausbildung, in Verbindung mit dem profilmaterialseitig herausgearbeiteten Quer- bzw. Mittelsteg, wird ferner ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der statischen Festigkeitseigenschaften des Matrixrohrprofils, a!so zur Übernahme statischer Funktionen, z. B. zum Abtragen der Kräfte aus dem Druck der das Profilinnere durchströmenden Luft, geleistet Zugleich läßt sich aber auch hinsichtlich von außen einwirkender Schwingungs- bzw. Stoßbelastungen eine festigkeitsmäßig äußerst stabile Einzelprofilrohr- sowie Matrixgesamtgestaltung erreichen.

Ferner eignet sich die angegebene Matrixrohrprofilausbildung unter Zuordnung des jeweiligen Querstegs bevorzugt hinsichtlich schwellender Beanspruchung durch hohe ^astzyklenanzahL

Die Erfindung ist anhand von Ausiciirungsbeispielen in den Zeichnungen weiter erläutert, es ze.gt

F i g. 1 eine perspektivisch sowie schematisch dargestellte Ausführungsform des Wärmetauschers.

F i g. 2 eine quer geschnittene Matrixsektion des Wärmetausc.iers nach Fig. 1, worin die einzelnen Rohrleitungsprofile in Relation zur Matrixdimensionierung nach F i g. 1 in einem deutlich größeren Maßstab wiedergegeben sind,

F i g. 3 die Rückansicht eines schematisch dargestellten Wärmetauschers gemäß Blickrichtung Xder F i g. 4.

Fig.4 die Schnittansicht A-A des Wärmetauschers nach F i g. 3 und

F i g. 5 eine perspektivische Darstellung einer über einzelne Profilrohrleitungen der Matrix gestülpten Abstandsplatte unter Zuordnung einer geradflächig sowie parallel dazu verlaufenden Rohrbodensektion.

Fig. 1 veranschaulicht einen Wärmetauscher 1 zur Führung von Gasen stark unterschiedlicher Temperaturen, dessen im Heißgasstrom G liegende Kreuz-Gegenr'rom-Matnx 2 aus separaten Druckluftleitungen 3 (Fig. 2) besteht, die einerseits an eine erste stationäre Rohrführung 4 für die Zufuhr kalter Druckluft D in die Matrix 2 (kalt) und andererseits an eine zweite stationäre Rohrführung 5 angeschlossen sind, au.; der difi über die Matrix 2 aufgeheizte Druckluft D'(heiß) einem Verbraucher zuführbar ist. Die beiden Rohrführungen 4, 5 sind voneinander getrennt angeordnet und in ein gemeinsames Sammelrohr 6 integriert. Dabei soll jede Druckluftleitung 3 der Matrix 2 — ausgehend von deren rohrbodenseitigen Anschlüssen an die erste 4 und zweite Rohrführung 5 des Sarnmelrohrs 6 — zunächst parai IeI zu einer seitlich verlängerten Sammelrohrmeridianebene verlaufen, bevor sie in einen gemeinsamen, die Druckluft U um 180" umlenkenden. U-förmigen Leitungsstrang übergeht. Die Matrix 2 soll ferner quer zur verlängerten Sammelrohrmeridianebene sowie unter Gewährleistung der zulässigen Heißgasversperrung zwischen den eina' der benachbarten Druckluftleitungen 3 vom Heißgas C durchströmbar sein.

Wie insbesondere aus F i g. 2 entnehmbar, weisen die mit strömungsgünstig zugespitzten Enden an- und abströmseitig in der Heißgasströmungsrichtung C liegenden Druckluftleitungen 3 der Matrix einen linsenförmigen Querschnitt auf; u?bei greifen die jeweils parallel zu einer gemeinsamen Matrixquerebene verlaufend angeordneten Druckluftleitungen 3 mit ihren an- bzw. abströmseitig einander benachbarten Profilzuspitzungen

unter Ausnutzung der infolge dieser Zuspitzungen sich räumlich ausbildenden Erweiterungen ineinander; jede Druckluftleitung 3 der Matrix 2 (Fig.2) enthält ferner zwei durch einen Profilsteg 7 voneinander getrennte Druckluftkanäle 8,9, die im Sinne der beiden zugespitzten Außenwandabschnitte der betreffenden Druckluftleitung 3 dreieckförmig ausgebildete Strömungsquerschnitte aufweisen.

Es besteht ferner die vorteilhafte Möglichkeit, die ifj Druckluftleitungen 3 (Fig.2) aus je zwei Hälften mit

vordefinierter Profilstruktur für die Druckluftführung zusammenzusetzen, die durch Löten untereinander zu verbinden wären.

Gemäß F i g. 3 und 4 besteht eine vorteilhafte Weiterbildung darin, daß die Druckluftleitungen 3, bzw. die von is diesen gebildeten Matrix-Profilkörperreihen in Obereinstimmung mit der Heißgasströmungsrichtung C schräg zur Längsachse des Sammelrohrs 6 verlaufend

n-*r.B._n-A**_n*. i.;»~j i~ i/»..u:..~j..«~ —*:* λ: λ u:i-i

Ullgbv/iuil^l JIIIU. Ill T bl t/IIIUUIIg Ulli Ult.Ot.1 /"IUOLTfIUUIIg sei zugrundegelegt, daß die Bauhöhe H der Matrix 2 < als der Durchmesser D des Sammelrohrs 6 sowie die Lauflänge L der Gasströmung > als der Durchmesser D des Sammelrohrs 6 zu veranschlagen wäre. Mit anderen Worten kann demnach also das Sammelrohr 6 bei angestrebter, verhältnismäßig großer Lauflänge L der Heißgasströmung mit dem minimal erforderlichen Querschnitt entsprechend demjenigen eines Rohrwärmetauschers (Druckluftleitungen mit kreisförmigem Querschnitt) ausgebildet werden, wobei zugleich ein minimales Brutto-B.rivolumen (Matrix 2 und Sammelrohr 6) erreicht wird.

Wie in F i g. 5 weiter verdeutlicht, können die Druckluftleitungen 3 durch Einbringung geeigneter Schikanen, z. B. in der Art mittels linsenförmiger Aussparungen 12 über die Druckluftleitungen 3 gestülpter, gleichzeitig als Abstandshalter wirkende Platten 13, gegen Oberbeanspruchungen durch Schwingungs- oder Stoßbelastung geschützt sein. Mit 14 sind hierbei im betreffenden Rohrbodenabschnitt des Sammelrohrs 6 enthaltene Druckluftdurchtrittsbohrungen bezeichnet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher zur Führung von Gasen stark unterschiedlicher Temperaturen, dessen im Heißgasstrom liegende Kreuz-Gegenstrom-Matrix aus separaten Druckluftleitungen besteht, die einerseits an eine erste stationäre Rohrführung für die Zufuhr kalter Druckluft in die Matrix und andererseits an eine zweite stationäre Rohrführung angeschlossen sind, aus der die über die Matrix aufgeheizte Druckluft einem Verbraucher zuführbar ist, wobei die beiden Rohrführungen voneinander getrennt angeordnet und in ein gemeinsames Sammelrohr integriert sind und wobei jede Druckluftleitung der Matrix — ausgehend von deren rohrbodenseitigen Anschlüssen an die erste und zweite Rohrführung des Sammelrohrs — zunächst parallel zu einer seitlich verlängerten Sammelrohrmeridanebene verläuft, bevor sie in einri gemeinsamen, die Druckluft um 180° umlenkenden, U-förmigen Leitungsstrang übergeht und hierbei die Matrix quer zur verlängerten Sammelrohrmeridianebene sowie unter Gewährleistung der zulässigen Heißgas versperrung zwischen den einander benachbarten Druckluftleitungen vom Heißgas durchströmbar ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: