DE3146090C2

DE3146090C2 - Heat exchanger for gases with very different temperatures

Info

Publication number: DE3146090C2
Application number: DE19813146090
Authority: DE
Inventors: Anton 8000 München Zacherl
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1981-11-20
Publication date: 1986-10-02
Also published as: DE3146090A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung behandelt einen Wärmetauscher zur Führung von Gasen stark unterschiedlicher Temperaturen, dessen im Heißgasstrom liegende Kreuz-Gegenstrom-Matrix aus separaten Röhrchen 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 dem bzw. den betreffenden Rohren U-förmig auskragend verlaufen. Um vorrangig Rißgefahr zu beseitigen, sieht die vorliegende Erfindung hauptsächlich vor, daß das Sammelrohr bzw. die Einzelrohre im wesentlichen in den außerhalb der Wärmetauschermatrixanschlußbereiche liegenden Zonen mit die betreffende Rohrwand durchragenden Hohlkörpern versehen sind, die am ins Rohrinnere geführten Ende verschlossen, am rohraußenwandseitig liegenden Ende offen ausgebildet sind.The present invention deals with a heat exchanger for guiding gases at very different temperatures, the cross-countercurrent matrix of which is located in the hot gas flow and consists of separate tubes, which are connected to a first stationary pipe guide for supplying compressed air to the relevant matrix channels on the one hand and to a second stationary pipe guide on the other are connected, from which the compressed air heated by the matrix is fed to a consumer, the two separate pipe guides either being integrated into a common collecting pipe or being formed by individual pipes arranged essentially parallel next to one another, the heat exchanger matrix or its respective compressed air ducts (tubes, hollow profiles ) extend in a U-shaped cantilevered manner with respect to the pipe or pipes in question. In order to primarily eliminate the risk of cracks, the present invention mainly provides that the header pipe or the individual pipes are provided with hollow bodies protruding through the pipe wall in question, essentially in the zones outside the heat exchanger matrix connection areas, which are closed at the end leading into the pipe interior and at the end located on the outside of the pipe wall are open.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to a heat exchanger according to the preamble of patent claim 1.

Bei derartigen Wärmetauschern, wie sie der DE-OS 07 810 als bekannt zu entnehmen sind, treten an ganz bestimmten Stellen Risse auf, und zwar insbesondere im Matrix-Randgebiet. Die Ursache derartiger Risse ist in den ungleichmäßigen Temperaturen im Sammler (6) und Verteiler (7) oder im gemeinsamen Rohr (5), insbesondere bei instationärem Betrieb zu suchen. Die Praxis hat nämlich gezeigt, daß der betreffende jeweilige Matrixrandbereich des Wärmetauschers Gas- und Lufttemperaturänderungen wesentlich schneller als der übrige Rohrbereich folgt, weil dort die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche wesentlich größer istIn such heat exchangers, as can be found in DE-OS 07 810 as known, occur entirely cracks in certain places, especially in the matrix edge area. The cause of such cracks is in the uneven temperatures in the collector (6) and distributor (7) or in the common pipe (5), in particular to look for in unsteady operation. Practice has shown that the respective matrix edge area in question the heat exchanger's gas and air temperature changes much faster than the rest of the way The pipe area follows because the area available for heat transfer is much larger there is

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Einsatzzeitraum trotz erheblich unterschiedlicher Temperaturbeanspruchungen, die das genannte Matrix-Gebiet gefährden, wesentlich erhöht wird.The invention is based on the object of creating a heat exchanger of the type mentioned at the beginning, its period of use in spite of the significantly different temperature stresses mentioned Endangering matrix area is significantly increased.

Zur Lösung der Aufgabe werden die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale vorgeschlagen.To solve the problem, the features characterized in claim 1 are proposed.

Auf diese Weise können auftretende Normalspannungen infolge unterschiedlicher Wärmedehnungen durch Biegevorgänge irr von den Hohlkörpern gebildeten elastischen Bereich reduziert und etwaige Kerb-Wirkungen, die insbesondere bei den lanzettenartigen Profilen zu erwarten sind, weitestgehend entschärft worden.In this way, normal stresses that occur as a result of different thermal expansions can be avoided by bending processes in the elastic area formed by the hollow bodies reduced and any notch effects, which are to be expected especially with the lancet-like profiles, largely defused been.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung nachfolgend beispielsweise erläutert; es zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers unter Verwendung eines gemeinsamen Hauptrohrs für die gleichzeitig voneinander getrennte Zu- bzw. Abführung der Hochdruckluft in den, bzw. aus dem Wärmetauscher,The invention is explained below using the drawings, for example; it shows
F i g. 1 is a perspective view of a heat exchanger according to the invention using a common main pipe for the simultaneously separate supply and discharge of high-pressure air into and out of the heat exchanger,

F i g. 2 die Vorderansicht eines gegenüber F i g. 1 hinsichtlich der Verwendung von Röhrchen für die Matrix leicht abgewandelten Wärmetauschers nach der Erfindung, worin insbesondere die Anordnung der ins Rohrinnere bzw. in die Rohrführung ragenden Rohrkörper näher erläutert ist,F i g. FIG. 2 shows the front view of an opposite FIG. 1 regarding the use of tubes for the matrix slightly modified heat exchanger according to the invention, wherein in particular the arrangement of the pipe body protruding into the pipe interior or into the pipe guide is explained in more detail,

F i g. 3 eine Schnittansicht nach der Linie III-III nach der F i g. 2, jedoch vergrößert dargestellt,F i g. 3 shows a sectional view along the line III-III the F i g. 2, but shown enlarged,

F i g. 4 die Vorderansicht einer weiteren Wärmetauschervariante mit zwei parallel nebeneinander angeordneten Rohrleitungen für die Zu- bzw. Abführung der Hochdruckluft in bzw. aus dem Wärmetauscher undF i g. 4 shows the front view of a further heat exchanger variant with two arranged in parallel next to one another Pipelines for the supply and discharge of high pressure air in and out of the heat exchanger and

F i g. 5 eine im wesentlichen gegenüber der F i g. 2 dahingehend abgewandelte Wärmetauschervariante, daß in der unteren Rohrführung zusätzliche Luftführungsbleche angeordnet sind, und zwar als Vorderansieht sowie teilweise aufgeschnitten dargestellt.F i g. 5 a substantially compared to FIG. 2 heat exchanger variant modified to the effect that additional air guide plates in the lower pipe guide are arranged, namely shown as a front view and partially cut open.

F i g. 1 veranschaulicht einen z. B. bei Gasturbinentriebwerken einsetzbaren Wärmetauscher, dessen seitlich U-förmig auskragende Wärmetauscher-Matrix 1 hier beispielsweise aus lanzettenartigen Strömungsprofilen 2 besteht. Diese Strömungsprofile 2 sind einerseits an eine erste stationäre Rohrführung 3 für die Druckluftzufuhr D in die Strömungsprofile und andererseits an zweite stationäre Rohrführung 4 angeschlossen, aus der die über die Matrix 1 aufgeheizte Druckluft D' einem Verbraucher, hier also beispielsweise der Brennkammer des Gasturbinentriebwerks zugeführt werden kann. Darüber hinaus geht aus F i g. 1 hervor, daß die beiden Rohrführungen 3 und 4 in ein gemeinsames Rohr 5 integriert sind. Bei der anderen Wärmetauschervariante nach F i g. 4 sind anstelle des zu F i g. 1 erwähnten gemeinsamen Rohrs 5 zwei voneinander gesonderte, parallel zueinander verlaufende Einzelrohre 6 und 7 als Sammler und Verteiler vorgesehen. Aus den F i g. 1,2,4 und 5 geht ferner hervor, daß die jeweilige Wärmetauscher-Matrix 1 seitlich U-förmig auskragend vom betreffenden Rohr 5 (Fig. 1, 2 und 5) bzw. seitlich U-förmig auskragend gegenüber dem Sammler 6 und Verteiler 7 nach F i g. 4 verläuft.F i g. 1 illustrates a e.g. B. in gas turbine engines usable heat exchanger, the laterally U-shaped cantilevered heat exchanger matrix 1 consists here for example of lancet-like flow profiles 2. These flow profiles 2 are connected on the one hand to a first stationary pipe guide 3 for the compressed air supply D into the flow profiles and on the other hand to a second stationary pipe guide 4, from which the compressed air D ' heated via the matrix 1 is fed to a consumer, here for example the combustion chamber of the gas turbine engine can. In addition, FIG. 1 shows that the two pipe guides 3 and 4 are integrated into a common pipe 5. In the other heat exchanger variant according to FIG. 4 are instead of the one shown in FIG. 1 mentioned common pipe 5, two separate, parallel individual pipes 6 and 7 are provided as collectors and distributors. From the F i g. 1, 2, 4 and 5 also show that the respective heat exchanger matrix 1 protrudes laterally in a U-shape from the relevant pipe 5 (FIGS. 1, 2 and 5) or protrudes laterally in a U-shape with respect to the collector 6 and distributor 7 according to FIG. 4 runs.

3 43 4

In den Wärmetauscherkonfigurationen nach F ig. 1,2, von der heißgasbeaufschlagten Matrix zu den Rohr-4 und 5 ist ferner die jeweilige die Wärmetauscher-Ma- wandbereichen außerhalb der jeweiligen Matrix-Antrix 1 umströmende Heißgasströmung durch Pfeile G Schlußfelder, und damit eine v/eiter optimierte Einsatzgekennzeichnet, fähigkeit derartiger Wärmetauscher erzielt werden. In the heat exchanger configurations according to Fig. 1, 2, from the hot gas exposed matrix to the tube 4 and 5, the respective hot gas flow flowing around the heat exchanger wall areas outside the respective matrix antrix 1 is indicated by arrows G closing fields, and thus a further optimized application capability of such Heat exchanger can be achieved.

Wie in F i g. 1 und 2 veranschaulicht, weist das jeweili- 5 Im übrigen wäre noch zu erwähnen, daß — wie dargege gemeinsame Rohr 5 in den im wesentlichen außer- stellt - beim Ausführungsbeispiel des Wärmespeichers halb der Wärmetauscher-Matrix-Anschlußbereiche 8 nach F i g. 1 sogenannte lanzettenartige, hohle Ströliegenden Zonen Hohlkörper 9 auf, die die betreffende mungsprofile 2 für die jeweilige Wärmetauscher-Matrix Rohrwand durchragen, am oberen Ende offen ausgebil- ä vorgesehen sind, während bei den Ausführungsbeidet sind und mit ihrem stromabwärtigen geschlossenen io spielen nach den Fi g. 2 und 5 die Wärmetauscher-Ma-Ende ins Rohrinnere, d. h. in die betreffende Rohrfüh- trix aus einzelnen Röhrchen 13 besteht rung 3 bzw. 3 und 4 (F i g. 2) hineinragen. F i g. 5 weicht von F i g. 1 und 2 noch dahingehend ab,As in Fig. 1 and 2 illustrated, the respective 5 It should also be mentioned that - as shown common pipe 5 in the essentially excluded - in the embodiment of the heat accumulator half of the heat exchanger matrix connection areas 8 according to FIG. 1 so-called lancet-like, hollow stream lying Zones hollow body 9, which the relevant mungs profiles 2 for the respective heat exchanger matrix Project through the pipe wall, are designed to be open at the upper end, while in the case of the execution both are provided are and play with their downstream closed io according to the Fi g. 2 and 5 the heat exchanger Ma-end inside the pipe, d. H. consists of individual tubes 13 in the relevant Rohrfüh- trix tion 3 or 3 and 4 (Fig. 2) protrude. F i g. 5 differs from FIG. 1 and 2 to the effect that

Wie ferner aus F i g. 1 und 2 ersichtlich ist, sollen diese daß am betreffenden gemeinsamen Rohr 5 nur eine einHohlkörper 9 vorzugsweise in der Randzone zwischen zige, und zwar hier von der linken Rohrseite U-förmig der jeweiligen Wärmetauscher-Matrix 1 und der betref- 15 auskragende Wärmetauscher-Matrix 1 vorgesehen ist fenden angrenzenden Rohrwandpartie in diese einge- Gsmäß F i g. 1 können ferner die insbesondere inAs also from FIG. 1 and 2 can be seen, these are intended to have only one hollow body on the relevant common pipe 5 9 preferably in the edge zone between zige, here from the left side of the tube U-shaped the respective heat exchanger matrix 1 and the relevant 15 cantilevered heat exchanger matrix 1 is provided f the adjoining pipe wall section into this part. 1 can also be used in particular in

setzt sein. Insbesondere Fig. 1 veranschaulicht ferner, Rohrlängsrichtung gegenüber dem Matrixfeld axial vorda3 die betreffenden Hohlkörper 9 gleichförmig zuein- stehenden Rohrenden 14 membranartig gewellt ausgeander beabstandet angeordnet sein sollen bzw. gleich- bildet sein, was hier durch die in Rohrumfangsrichtung förmig zueinander versetzt angeordnet sein sollen. 20 verlaufenden Linien L, L'verdeutlicht sein soll.sets his. In particular, Fig. 1 further illustrates that the tube longitudinal direction opposite the matrix field axially in front of the relevant hollow bodies 9 uniformly converging tube ends 14 should be arranged in a membrane-like corrugated spaced apart or uniformly formed, which should be arranged offset from one another in the tube circumferential direction. 20 running lines L, L 'should be clarified.

In F i g. 1 weisen die Hohlkörper 9 einen elliptischen Auf diese Weise kann zusätzlich der Gefahr etwaigerIn Fig. 1, the hollow bodies 9 have an elliptical shape. In this way, the risk of any

Querschnitt auf; je nach den herrschenden baulichen Rißbildung an bzw. zwischen den betreffenden Matrix-Konsequenzen und Temperaturkriterien können die einmündungssteilen und den matrixlosen Rohrrandzo-Querschnitte dieser Hohlkörper aber auch langlochar- nen begegnet werden.Cross section on; depending on the prevailing structural crack formation at or between the relevant matrix consequences and temperature criteria can be the junction parts and the matrix-less pipe rim cross-sections however, these hollow bodies can also be encountered with elongated holes.

tig, kreisförmig oder linsenförmig im Querschnitt gestal- 25 Bei den zuvor genannten und beschriebenen Wärmetet sein. tauscherausführungsformen nach F i g. 1,2,4 und 5 wäretig, circular or lenticular in cross section be. Exchanger designs according to F i g. 1,2,4 and 5 would be

Im Interesse einer vergleichsweise einfachen Herstel- weiter davon auszugehen, daß das gemeinsame Rohr 5 lung können die jeweiligen Enden der Rohrkörper bzw. der Sammler 7 und der Verteiler 6 jeweils an deren durch Verschweißen verschlossen werden. übrigen Enden, die den Enden für die Zu- und Abfüh-In the interest of a comparatively simple manufacture, it can also be assumed that the common pipe 5 ment can the respective ends of the tubular body or the collector 7 and the manifold 6 in each case be closed by welding. remaining ends, which are the ends for the supply and discharge

Wie ferner aus F i g. 1 und 2 hervorgeht, kann eine 30 rung der Hochdruckluft in den bzw. aus dem Wärmetau-Reihe dieser Hohlkörper 9 so angeordnet sein, daß sie scher gegenüber liegen, verschlossen ausgebildet sind.As also from FIG. 1 and 2 shows, a 30 tion of the high pressure air in and out of the heat exchange series this hollow body 9 be arranged so that they are shear opposite, are formed closed.

mit einem Teil ihrer Querschnitte ins rohrseitige Matrix- with part of their cross-sections into the pipe-side matrix

feld 8 hereinragen bzw. von dort aus ins Rohrinnere Hierzu 2 Blatt ZeichnungenField 8 protrude or from there into the inside of the pipe. 2 sheets of drawings

geführt sind, um hinsichtlich der Wärmeübergangs- und
Materialspannungskriterien eine weitere Verbesserung 35
zu erzielen.are led to in terms of heat transfer and
Material stress criteria a further improvement 35
to achieve.

Bei der Wärmetauschervariante nach F i g. 4 wird beispielsweise die vom Verdichter eines Gasturbinentriebwerks geförderte Druckluft D zuerst dem Verteiler 6
zugeführt, strömt dann gemäß dem Verlauf D durch die 40
U-förmige Matrix 1, wird hier vom Heißgasstrom G des
Triebwerks aufgeheizt und gelangt so in den Sammler 7.
Dieser Sammler 7 weist hierbei zusätzlich Luftführungsbleche 10 auf, mit denen die aus der Matrix aufgeheizte
Hochdruckluft D' unter gleichförmiger Aufspaltung in 45
Teilströme zunächst entlang eines Teils der betreffenden Rohrinnenwandungen geführt wird, bevor sie über
den von den Füh.-ungsblechen 10 im wesentlichen umschlossenen Rohrinnenraum abströmt, um nachher gemäß Pfeilrichtung D' als vorgewärmte Verbrennungs- 50
luft der Brennkammer des nicht weiter dargestellten
Gasturbinentriebswerks zugeführt werden zu können.In the heat exchanger variant according to FIG. 4, for example, the compressed air D delivered by the compressor of a gas turbine engine is first sent to the distributor 6
is supplied, then flows according to the course D through the 40
U-shaped matrix 1, is here from the hot gas flow G des
The engine is heated up and thus enters the collector 7.
This collector 7 also has air guide plates 10 with which the heated from the matrix
High pressure air D ' with uniform split in 45
Partial flows are initially guided along part of the pipe inner walls in question before they over
flows off the ungsblechen Füh.-10 from the substantially enclosed tube interior, in order afterwards according to the arrow direction D 'as preheated combustion 50
air of the combustion chamber of the not shown
Gas turbine engine can be supplied.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 ist -iie untere
Rohrführung 4 mit Luftführungsblechen 11 ausgestattet,
mit denen die aufgeheizte Hochdruckluft aus der Matrix 55
1 abströmend, zunächst gleichförmig aufgespalten wird,
wobei ein Teil entlang der Trennwand 12, die zwischen
den Rohrführungen 3 und 4 liegt, entlangströmt, während der andere aufgespaltene Teil über einen verhältnismäßig weiten Rohrwandbereich geführt ist, bevor er 60
zusammen mit dem übrigen Teilstrom ins Rohrinnere
der betreffenden Rohrführung 4 abströmen kann.In the embodiment according to FIG. 5 is the lower one
Pipe guide 4 equipped with air guide plates 11,
with which the heated high pressure air from the matrix 55
1 flowing down, initially split uniformly,
a part along the partition wall 12 which is between
the pipe guides 3 and 4, flows along, while the other split part is guided over a relatively wide pipe wall area before it 60
together with the rest of the partial flow into the interior of the pipe
the pipe guide 4 in question can flow off.

Aufgrund dieser zuvor beschriebenen Anordnungen
und Ausbildungen der Luftführungsbleche 10 (Fig.4)
sowie 11 (Fig.5) kann neben der eingangs ausführlich 65
behandelten Aufbau- und Wirkungsweise der Rohrkörper 9 eine zusätzliche Vergleichsmäßigung des Temperaturprofils insbesondere im Bereich des ObergangsBecause of these previously described arrangements
and designs of the air guide plates 10 (Fig. 4)
and 11 (FIG. 5), in addition to the 65
treated structure and mode of operation of the tubular body 9 an additional equalization of the temperature profile, especially in the area of the transition

Claims

Patent claims:

ί. Heat exchanger for guiding gases of very different temperatures, the cross-countercurrent matrix (1) of which in the hot gas flow (G) consists of tubes or lancet-like, hollow flow profiles (13) which are connected to a distributor (6) for supplying compressed air and to a Collectors (7) are connected for the discharge of compressed air from the matrix (1), the distributor (6) and collector (7) being designed separately next to one another or being integrated into a common pipe (5), the tubes or flow profiles of the matrix (1 ) Extend in a U-shaped cantilevered manner, characterized in that the common pipe (5) or distributor (6) and S? Mmler (7) in zones lying essentially outside the heat exchanger matrix connection areas (8) with hollow bodies (9) protruding through the pipe wall in question are provided, the ends guided into the inside of the tube are closed and are designed to be open at the end of the tube outer wall.

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the hollow body is preferably in the pipe wall section are inserted which adjoins the edge zone of the matrix (1).

3. Heat exchanger according to claim 1 and 2, characterized in that the hollow body (9) are arranged uniformly spaced from one another or uniformly offset from one another.

4. Heat exchanger according to claim 1, 2 and 3, characterized in that the hollow body has a have circular, slot-like, elliptical (Fig. 1) or lenticular cross-section.

5. Heat exchanger according to claims 1 to 4, characterized in that the guided into the pipe interior Ends of the hollow body are closed by welding.

6. Heat exchanger according to claims 1 to 5, characterized in that the hollow body (9) with part of their respective end cross-sections from the matrix connection area (8) into the interior of the pipe are led.

7. Heat exchanger according to claims 1 to 6, characterized in that preferably in the collector (4, 7) additional air guide plates (11 or 10) are arranged with which the heated high pressure air flowing out of the matrix (D ') with uniform splitting in Partial flows are initially guided along part of the inner pipe walls or along a partition (12) and along part of the inner pipe wall of the relevant pipe guide (4) before it flows off via the pipe interior, which is essentially enclosed by the guide plates.