DE3146089C2

DE3146089C2 - Wärmetauscher für Gase stark unterschiedlicher Temperaturen

Info

Publication number: DE3146089C2
Application number: DE19813146089
Authority: DE
Inventors: Anton 8000 München Zacherl
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1981-11-20
Publication date: 1985-01-24
Also published as: DE3146089A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung behandelt einen Wärmetauscher zur Führung von Gasen stark unterschiedlicher Temperaturen, dessen im Heißgasstrom liegende Kreuz-Gegenstrom-Matrix aus separaten Röhrchen oder lanzettenartigen, hohlen Strömungsprofilen besteht, die einerseits an eine erste stationäre Rohrführung zur Druckluftzufuhr in die betreffenden Matrix-Kanäle und andererseits an eine zweite stationäre Rohrführung angeschlossen sind, aus der die über die Matrix aufgeheizte Druckluft einem Verbraucher zugeführt wird, wobei die beiden getrennten Rohrführungen entweder in ein gemeinsames Sammelrohr integriert oder von im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten Einzelrohren gebildet sind, wobei die Wärmetauschermatrix bzw. deren betreffende Druckluftkanalführungen (Röhrchen, Hohlprofile) gegenüber der bzw. den betreffenden Rohrlängsachsen seitlich U-förmig auskragend verlaufen. In erster Linie zur Vermeidung einer im Matrix-Randgebiet auftretenden Rißgefahr ist die Erfindung hauptsächlich dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr bzw. die Einzelrohre in den außerhalb des Wärmetauschermatrixanschlußbereichs befindlichen Zonen eine membranartig gewellte Wandstruktur aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher zur Führung von Gasen stark unterschiedlicher Temperaturen, dessen im Heißgasstrom liegende Kreuz-Gegenstrom-Matrix aus separaten Röhrchen oder lanzettenartigen, hohlen Strömungsprofilen besteht, die einerseits an eine erste stationäre Rohrführung zur Druckluftzufuhr in die betreffenden Matrix-Kanäle und andererseits an eine zweite stationäre Rohrführung angeschlossen sind, aus der die über die Matrix aufgeheizte Druckluft einem Verbraucher zugeführt wird, wobei die beiden getrennten Rohrführungen entweder in ein gemeinsames Sammelrohr integriert oder von im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten Einzelrohren gebildet sind, und wobei die Wärmstauschermatrix bzw. deren betreffende Druckluftkanalführungen (Röhrchen, Hohlprofile) gegenüber der bzw. den betreffenden Rohrlängsachsep. seitlich U-förmig auskragend

ίο verlaufen.

Bei derartigen bekannten Wärmetauschern, wie sie z. B. aus DE-OS 29 07 810 bekannt sind, d. h. also bei derartigen bekannten Röhrchen- oder Lanzettenwärmetauschern treten an ganz bestimmten Steller. Risse auf. und zwar im Matrix-Randgebiet Die Ursache derartiger Risse ist in den ungleichmäßigen Temperaturen im Hauptrohr, insbesondere bei instationärem Betrieb zu suchen. Die Praxis hat nämlich gezeigt, daß df*r betreffende jeweilige Matrixrandbereich des Wärmetauschere Gas- und Lufttemperaturänderungen wesentlich schneller als der übrige Rohrbereich folgt_T weil dort die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche wesentlich größer ist

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Einsatzzeitraum trotz erheblich unterschiedlicher Temperafexbeanspruchungen, die das genannte Matrix-Gebiet gefährden, wesentlich erhöht werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist es erfindungsgemäß hauptsächlich vorgesehen, daß die in den außerhalb des Wärmetauscher-Matrix-Anschlußbereichs befindlichen Zonen an dem bzw. den Zu- bzw. Abführungsrohren eine membranartig gewellte Wandstruktur aufweisen.

Auf diese Weise können auftretende Normalspannungen infolge unterschiedlicher Wärmedehnungen durch Biegevorgänge im elastischen Bereich reduziert und etwaige Kerbwirkungen, die insbesondere als Folge der lanzettenartigen Profilausbildung zu erwarten sind, weitestgehend entschärft werden.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung nachfolgend beispielsweise erläutert; es zeigt

Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers unter Verwendung eines gemeinsamen Hauptrohrs für die gleichzeitig voneinander getrennte Zu- bzw. Abführung der Hochdrucklufi in den, bzw. aus dem Wärmetauscher,

Fig.2 die Vorderansicht eines im wesentlichen irr.

so Ginne der Fig. 1 ausgebildeten Wärmetauschers, worin speziell die örtliche Verteilung der erfindungsgemäß ausgebildeten wellenartigen Rohrzonen näher erläutert ist,

Fig.3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers, bei dem im Gegensatz zu den Ausfüh.ungsformen nach F i g. 1 und 2 zwei im wesentlichen parallel nebeneinander angeordnete Hauptrohre einerseits für die Zuführung, andererseits für die Abführung der Hochdruckluft vorgesehen sind,

Fig.4 die Vorderansicht eines im wesentlichen im Sinne der F i g. 3 ausgebildeten Wärmetauschers, worin speziell die örtliche Verteilung der erfindungsgemäß ausgebildeten wellenartigen Rohrzonen näher definiert ist,

Fig. 5 die Seitenansicht eines Wärmetauscherabschnitts unter Erläuterung des Erfindiingsgcgcn.suindcs, wobei die Wärmetauschcr-Mairix aus Röhrchen gebildet ist und in wechselnder Folge nutartige Verliefungen

in Rohrlängsrichtung eingearbeitet sind, die mit ihren jeweiligen Endabschnitten in den betreffenden Matrixbereich hineinragen,

F i g. 6 eine gegenüber F i g. 5 dahingehend abgewandelte Variante, daß anstelle von Röhrchen für die Wärmetauscher-Matrix lanzettenartige Strömungsprofile vorgesehen sind,

F i g. 7 eine gegenüber dtn F i g. 5 und 6 dahingehend abgewandelte Variante, daß die lanzettenartigen Strömungsprofile der betreffenden Wärmetauscher-Matrix zur betreffenden Rohrlängsachse geneigt verlaufen,

Fig.8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII der F i g. 7. worin die betreffende Rohrwellungsstruktur in Form nutartiger Vertiefungen verdeutlicht ist,

F i g. 9 eine entsprechend F i g. 8 aufgeschnittene, hier jedoch rein wellenförmige Rohrwandstruktur,

F i g. 10 eine im Sinne der F i g. 8 und 9 aufgeschnittene, hier jedoch im wesentlichen zickzackförmig gewellte Rohrwandstruktur,

F i g. 11 eine im Sinne der vorangegangenen F i g. 8,9 und löaufgeschniüene, hier jedoch im wesentlichen aus jeweils trapezartigen Vertiefungen gebildete Rohrwandstruktur,

F i g. 12 die Seitenansicht eines Wärmetauschers in erfindungsgemäßer Ausbildung, wobei die betreffende Wärmetauscher-Matrix teilweise aufgeschnitten dargestellt ist und die jeweiligen wellenartigen Vertiefungen im Sinne der betreffenden Wärmetauscher-Matrix (Strömungsprofile) zur Rohrlängsachse unter gleichem Winkel geneigt sind und

F i g. 13 die Vorderansicht einer weiteren Wärmetauschervariante mit zusätzlichen Luftführungsblechen innerhaib einer von zwei im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten Rohrleitungen.

Die F i g. 1 und 2 erläutert einen beispielsweise bei Gasturbinentriebwerken einsetzbaren Wärmetauscher, dessen jeweilige im Heißgasstrom G liegende Kreuz-Gegen-Strom-Matrix 1 hier beispielsweise aus voneinander separaten Röhrchen besteht, wobei gemäß F i g. 1 entsprechend dem dargestellten Ausschnitt aus dem Wärmetauscherboden 3 die zugehörigen Löcher für die genannten Wärmetauscherröhrchen mit 2 bezeichnet sind. In später noch näher erläuterter Weise kann ein derartiger oder ähnlicher Wärmetauscher anstelle der Röhrchen für die Matrix aus sogenannten lanzettenartigen hohlen Strömungsprofilen zusammengesetzt sein.

Die betreffenden Röhrchen oder Strömungsprofile sind gemäß F i g. 1 an eine stationäre Rohrführung 4 für die Zufuhr der über die Matrix vorzuwärmenden Druckluft D angeschlossen sowie andererseits an eine zweite stationäre Rohrführung 5, aus der die über die Matrix 1 aufgeheizte Druckluft D' einem geeigneten Verbraucher, hier also z. B. der Brennkammer eines nicht weiter dargestellten Gasturbinentriebwerks zugeführt werden kann. Gemäß Fig. 1 sind die beiden voneinander getrennten Rohrführungen 4,5 in ein gemeinsames Sammelrohr 6 integriert Anstelle der Ausführung eines gemeinsamen Sammelrohrs vA es gemäß den F i g. 3 und 4 durchaus möglich, zwei parallel nebeneinander angeordnete Einzelrohre 7 und 8 vorzusehen. Ferner veranschaulichen die Wärmetauscherkonfigurationen nach den Fig. 1, 2, 3 und 4, daß die betreffende Warmetauscher-Matrix 1 jeweils seitlich U-förmig auskragend verlaufen soll, wobei gemäß den Fig. 1 und 3 der betreffende U-förmige Strömungsverlauf für die vorzuwärmende Druckluft durch den Pfeil D verdeutlicht ist.
Gemäß der teilweise aufgeschnittenen Matrix 1 nach F i g. 4 sind daraus zwei U-förmig verlaufende Röhrchen 9 dieser Wärmetauscher-Matrix erkennbar.

Erfindungsgemäß weisen nun die außerhalb des jeweiligen Wärmetauscher-Matrix-Anschlußbereichs befindJichen Rohrzonen A, B(Fi g. 2) bzw. C(F i g. 4) eine membranartig gewellte Wandstruktur auf, die in F i g. 1 und 3 durch abwechselnd ausgezogene und gestrichelte wiedergegebene Linienkonturen L, L' verdeutlicht ist. wobei diese gewellte Wandstruktur gemäß L, L' koaxial am betreffenden Rohrumfang angeordnet ist, und zwar auch speziell am betreffenden Rohrumfang jeweils vor bzw. hinter der Wärmetauscher-Matrix 1.

Bei den zuvor genannten Wärmetauscherausführungsformen, wie insbesondere auch beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 3, ist davon auszugehen, daß bei den parallel nebeneinander angeordneten Wärmetauscherhauptrohren 7 und 8 das betreffencie Rohr jeweils an einem Ende verschlossen ist; beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 wird also über ein erstes Zuleitungsrohr 10 die beispielsweise von einem Verdv'iler des Gasturbinentriebwerks geförderte Hochdruck»;«, über einen nachgeschalteten Rohrkrümmer 11 in das erste Hauptrohr 7 gefördert, aus dem die Hochdruckluft dann gemäß Pfeil D die betreffende Wärmetauscher-Matrix 1 durchs*römt, hierbei vom Heißgasstrom G des Gasturbinentriebwerks aufgeheizt und sodann dem zweiten Hauptrohr 8 zugeführt wird, aus dem die so vorgewärmte Hochdruckluft dann gemäß Pfeil D'über einen weiteren Rohrkrümmer 12 einem Zuleitungsrohr 12' zugeführt wird über welches die aufgeheizte Druckluft D' der Brennkammer des betreffenden Gasturbinentriebwerks zugeleitet werden kann.

Gemäß F i g. 1 und 3 ist also vom Grundsatz her davon auszugehen, daß das betreffende Sammelrohr 6 bzw. die Einzelrohre 7 und 8 in den zuvor genannten Zonen, die außerhalb des Wärmetauscher-Matrix-Anschlußbereichs liegen, in Rohrumfangsrichtung fortlaufend gewellt sind.

Detaillierte Rohrwellungskonfigurationen gehen aus den F i g. 8 bis 11 hervor, wobei F i g. 8 eine Rohrwellung veranschaulicht, die z. B. aus abwechselnd hintereinander in die innere und äußere Rohrwandstruktur eingearbeiteten nutartigen Vertiefungen 14,15 gebildet ist

Bei den Ausführungsbeispielen nach den F i g. o, 6 und 7 wäre ebenfalls davon auszugehen, daß die Rohrwellung von nutartigen Vertiefungen 14 bzw. 15 erzeugt worden ist wobei zu den zuletzt genannten Beispielen hervorzuheben wäre, daß dort die betreffenden Vertiefungen 14, 15 mit deren jeweiligen Enden in die zugeordneten Matrix-Bereiche des Wärmetauschers übergreifen, um auf diese Weise thermisch verbesserte Übergänge zu schaffen, und zwar hinsichtlich der einerseits hochtemperaturseitig beaufschlagten Bauteile (Matrix bzw. Matr^anschlußbereiche) und andererseits hinsichtlich der mit vergleichsweisen niedrigeren Temperaturen beaufschlagten Bauteile (Rohr-Wandstruktur außerhalb des Mitrix-Bereichs).
Die Ausführungsbeispiele nach den F i g. 6 und 7 wei-

öo chen im übrigen von F i g. 5 dahingehend ab, daß anstelle von Röhrchen für die Wärmetauscher-Matri>. lanzettenartige hohle Strömungsprofilkörper vorgesehen sind, wie dies in den F i g. 6 und 7 durch die im betreffenden Rohrboden angeordneten lanzettenartigen öffnungen 16 bzw. 17 verdeutlicht ist. F i g. 7 weicht schließlich von Fig. 6 dahingehend ab, daß die lanzettenartigen Strömungsprofile gemäß den zugeordneten öffnungen 17 im Rohrboden schräg zur betreffenden Rohrlängs-

achse verlaufend angeordnet sind.

Beim AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 12 ist die Rohrwellung ebenfalls von Vertiefungen 18 bzw. 19 gebildet, wobei diese Vertiefungen in gleicher Weise wie die lanzettenartigen Strömungsprofile 21 zur betreffenden Rohrlängsachse 20 geneigt sind. In Fi g. 12 ist ferner das zur Wärmetauscher-Matrix 1 zugehörige Matrixfeld im oberen Bereich mit 22 und im unteren Bereich mit 23 am betreffenden Hauptrohr 6 bezeichnet.

Der erfindungsgemäße Grundgedanke (Anspruch 1) schließt es im übrigen nicht aus, die betreffende Rohrwellung je nach den herrschenden Temperaturkriterien und vorgesehenen Wärmetauscher-Aufbauweisen so auszubilden, daß die betreffenden Wellenfalten bzw. Vertiefungen zumindest teilweise in Rohr-Längsrichtung verlaufen oder gegebenenfalls — und soweit möglich — spiralförmig in Rohrumfangsrichtung verlaufen.

Fig. 13 veranschaulicht eine weitere Wärmetauschervariante, bei der z. B. in der die aufgeheizte Luii aufnehmenden Rohrleitung 8 zusätzliche Luftführungsbleche 24,25 angeordnet sind, mit denen die aufgeheizte Luft D'zumindest teilweise zunächst ander Rohrinnenwand entlanggeführt wird, bevor sie in den von den Luftführungsblechen 24, 25 im wesentlichen zentrisch umhüllten Rohrinnenraum 26 abströmt

Auf diese Weise kann neben der eingangs ausführlich behandelten Rohrwellung eine zusätzliche Vergleichsmäßigung des Temperaturprofils insbesondere im Bereich des Überganges von der heißgasbeaufschlagten Matrix zu den Rohrwindbereichen außerhalb des Matrixanschlußbereichs, und damit eine weiter optimierte Einsatzfähigkeit derartiger Wärmetauscher erzielt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

40 45 50

60

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher zur Führung von Gasen stark unterschiedlicher Temperaturen, dessen im Heißgasstrom liegende Kreuz-Gegenstrom-Matrix aus separaten Röhrchen oder lanzettenartigen, hohlen Strömungsprofilen besteht, die einerseits an eine erste stationäre Rohrführung zur Druckluftzufuhr in die betreffenden Matrix-Kanäle und andererseits an eine zweite stationäre Rohrführung angeschlossen sind, aus der die über die Matrix aufgeheizte Druckluft einem Verbraucher zugeführt wird, wobei die beiden getrennten Rohrführungen entweder in ein gemeinsames Sammelrohr integriert oder von im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten Einzelrohren gebildet sind, wobei die Wärmetauschermatrix bzw. deren betreffende Druckluftkanalführungen (Röhrchen, Hohlprofile) gegenüber d?r bzw. den betreffenden Rohrlängsachsen seitlich U-fönnig ausklagend verlaufen; dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr (6) bzw. die Einzelrohre (7,8) in den außerhalb des WärmetauschermatrixanschluEbereichs befindlichen Zonen eine membranartig gewellte Wandstruktur aufweisen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr (6) bzw. die Einzelrohre (7, 8) in den betreffenden Zonen in Rohrumfangsrichtung fortlaufend gewellt sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwellung durch abwechselnd hintereinander in t.e innere und in die äußere Rohrwandstruktur eingearbeitete nutartige Vertiefungen (14,15) gebildet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Rohrwellung bzw. die hierfür vorgesehenen Vertiefungen (18, 19) zumindest teilweise schräg zu der (20) bzw. den betreffenden Rohrlängsachsen verläuft, und zwar gemäß der Schräglage der aus Röhrchen oder Hohlprofilen (21) gebildeten, parallelogrammförmigen Matrixfelder (22,23) oder -querschnitte.

5. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellung zumindest teilweise in den das Matrixfeld enthaltenden Rohrwandbereich übergreift.

6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellung spiralförmig am betreffenden Rohrumfang verläuft.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr bzw. die Einzelrohre in den betreffenden Zonen zumindest teilweise mit in Rohrlängsrichtung verlaufenden Wellungert bzw. Faltungen versehen sind.