DE3635548C1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

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

Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der GB-OS 21 30 355 bekannt.

Bei derartigen Profilrohr-Wärmetauschern der Kreuz-Gegen­ strom-Bauweise, bestehend aus einem Kollektiv von Rohr­ bügeln, die ein geordnetes Matrixfeld bilden, lassen sich im Hinblick auf die Durchströmung zwei Matrix-Berei­ che unterscheiden:

Der Bereich der im wesentlichen geradlinigen Schenkel, der den eigentlichen und regulär durchströmten Bereich des Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschers darstellt, und außer­ dem der bei dieser Bauweise aus konstruktiven Gründen notwendige Bogenbereich, in dem die dem gekrümmten Ver­ lauf der Rohrbögen folgenden Profilrohre von dem außen geradlinig, quer strömenden Fluid (Heißgas) in örtlich unterschiedlicher Richtung umströmt werden.

Die gegenseitige Stellung der Profilrohre im Strömungs­ feld der Wärmetauschermatrix wird durch die Erfordernisse der Querströmung im Schenkelbereich der Rohrbügel be­ stimmt. Diese Zuordnung bleibt auch im Verlaufe der ge­ krümmten Rohrführung im Bogenbereich erhalten. Da das Außenmedium (Heißgas) jedoch auch hier im wesentlichen der Richtung der Querströmung, wie sie im Schenkelbereich vorherrscht, folgt, trifft es dabei örtlich auf Strömungs­ querschnitte, die erheblich von denen des Schenkelberei­ ches abweichen.

Besonders deutlich wird das beim Vergleich der effektiv offenen Strömungsquerschnitte des regulär durchströmten Schenkelbereiches mit denen im Zenit der Rohrbögen, in dem das Rohrfeld demgegenüber um 90° gedreht zur Außen- bzw. Heißgasströmung verläuft.

Demzufolge ergibt sich der Nachteil, daß das Heißgas bevorzugt durch den Bogenbereich strömt, wodurch eine unerwünschte Verschiebung der Massenstromverteilung zu Gunsten dieses Bereiches erfolgt.

Die Gründe für diesen Nachteil lassen sich im Detail weiter wie folgt beschreiben:

• - Zerlegt man die Querströmung des außen strömenden Heißgases gedanklich in Stromröhren gleichen Quer­ schnitts, so treffen Stromröhren des Bogenbereiches auf effektiv offene Querschnitte, die größer sind als diejenigen im regulär durchströmten Bereich, der durch die geradlinig verlaufenden Matrixstränge charakteri­ siert ist.
• - Im äußeren Gebiet des Bogenbereiches der Matrix ist der Weg der Strömung kürzer (ca. der Länge der Sehne des jeweiligen Bogenabschnittes entsprechend) und daher der Strömungswiderstand geringer.
• - Im Bogenbereich sind die hydraulischen Durchmesser der Heißgaspassagen größer und deshalb die Strömungs­ widerstände vergleichsweise geringer.
• - Der Charakter der Wandströmung des Heißgases entlang der Profilrohre ist im Bogenbereich - gegenüber dem regulär durchströmten Bereich - anders, da die Lauf­ länge der Grenzschicht längs der Profilrohre länger ist. Demgegenüber werden im regulär durchströmten Bereich die Grenzschichten beim Wechsel vom einen umströmten Profil zum in Richtung der Querströmung nachgeordneten weiteren Profil ständig neu aufgebaut.

Ein weiterer wesentlicher Nachteil vorstehend behandelter bekannter Wärmetauscherkonzepte ist es, daß über verhält­ nismäßig weite Teile des Matrixbogenbereiches kein exakt definierbarer Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozeß reali­ sierbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärme­ tauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 an­ zugeben, der insbesondere im Hinblick auf die Ausbildung des bogenförmigen Matrixumlenkbereiches einen vergleichs­ weise hohen Wärmeaustauschgrad ermöglicht.

Die gestellte Aufgabe ist durch die Merkmale des Kenn­ zeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Mit der angegebenen Lösung kann also die eingangs zu Bekanntem erwähnte ungleichförmige Heißgas-Massenstrom­ verteilung zwischen den geradschenkeligen Sektionen der Matrix und dem Matrixbereich vergleichmäßigt werden.

Indem im Bogenbereich das Feld der Profilrohre enger gestaffelt werden kann, kann also der örtliche Heißgas­ strom im Bogenbereich der Matrix den Notwendigkeiten einer örtlich angeglichenen Wärmetauscherleistung ange­ paßt werden.

In Ausgestaltung kann ferner der höchste Grad der Profilrohrfeldverdichtung entlang einer gemeinsamen bo­ genmeridianen Geraden bzw. auf einem im wesentlichen senkrecht zur Heißgashauptströmungsrichtung liegenden Vektor des Bogenradius erreicht werden; vor und hinter diesem Vektor bzw. der Ebene (Bogenmeridianebene), in der die kreis- bzw. bogenmeridianen Geraden liegen, kann die betreffende Profilrohrpackungsdichte den Erforder­ nissen gemäß weniger intensiv ausgebildet sein.

Es kann also den z. B. durch unterschiedliche Krümmungsradien erzeugten Profil­ rohrbögen nicht - wie bisher üblich - ein gemeinsamer Kreismittelpunkt zugeordnet sein; vielmehr können z. B. die den unterschiedlichen Krümmungsradien zugehörigen Kreismittelpunkte fortlaufend von innen nach außen ver­ setzt auf den betreffenden kreismeridianen Geraden bzw. auf der zuvor erwähnten gemeinsamen Bogenmeridianebene angeordnet sein.

In Ausgestaltung können ferner die den geradschen­ keligen Bereich der Matrix ausbildenden Profilrohrab­ schnitte mit den erforderlichen gleichförmigen gegensei­ tigen Abständen - sei es über- oder nebeneinander - im Heißgasstrom angeordnet werden.

Es gelingt außerdem, zusätzliche geradschenkelige Profilrohrlängen zu gewinnen, indem - pro in einer gemeinsamen Ebene übereinander gestaffelt angeordnetem Profilrohrfeld - die betreffenden Ausgangs­ basen der die Bögen beispielsweise darstellenden Halb­ kreise in einer schrägen Ebene liegen, die z. B. durch die Kreismittelpunktsdifferenz zwischen den kleinsten (innen) und dem größten Bogenradius (außen) entsteht.

Der erwähnte Profilrohrlängengewinn führt ferner zu einer gleichmäßigen Verteilung des Strömungswiderstandes inner­ halb der Profilrohre, da die Länge des Strömungsweges der weiter innen liegenden Rohrbügel der Matrix vergrö­ ßert und diejenige der weiter außen liegenden Rohrbügel hingegen nahezu unverändert bleibt.

Vorzugsweise ist es ferner vorgesehen bzw. möglich, daß die weiter außen liegenden Rohrbügel im Bogenbereich der Matrix, also diejenigen Rohrbügel mit vergleichsweise großen Biegeradien, stärker ineinan­ der gestaffelt angeordnet sind, als diejenigen inneren Rohrbügel mit den vergleichsweise kleinen Biegeradien.

Das quer durch die Matrix strömende Heißgas findet dann insbesondere im Zenit des Bogenbereiches an diesen Stel­ len geringe Durchströmquerschnitte vor und wird deshalb veranlaßt, mehr in die tiefer liegenden Gebiete des Bo­ genbereiches - also in Richtung auf die Bügel mit den kleineren Biegeradien - auszuweichen. Damit erfolgt die Durchströmung des Bogenbereiches nicht mehr allein längs der Sehnen der Kreisbögen, sondern es entsteht - vorzugs­ weise an den äußeren Bägen mit größerem Radius - eine starke Querströmungskomponente. Das in diesem Falle be­ sonders stark verdichtete Gebiet im Zenit der Bögen außen stellt damit den Kern einer nur schwach durchströmten Zone dar.

Diese schwach durchströmte Zone kann - vom äußersten Bogenrand der Profilrohre ausgehend - die natürliche Profilrohrkrümmung etwa pilzförmig entgegengerichtet gekrümmt überschneiden. Bezüglich des Matrixbogenberei­ ches umströmt also die Hauptmasse der Heißgase die pilz­ förmige Zone und fördert somit eine zusätzliche Heißgas­ querumströmung der Profilrohre zu Gunsten eines insbe­ sondere auch im äußeren Bogenbereich möglichen Kreuz- Gegenstrom-Wärmetauschprozesses.

Eine weitere vorteilhafte Folge dieser zuletzt genannten Anordnung ist es, daß eine gehäuseseitige Abdeckung oder eine Berandungsleitwand auf ein verhältnismäßig schmales Gebiet im Zenit des Matrixbogens beschränkt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Patentansprüchen 2 bis 11 hervor.

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

Fig. 1 ein Wärmetau­ scherkonzept in perspektivischer, schematischer sowie teilweise aufgeschnittener Darstellung,

Fig. 2 die zur Hälfte sowie matrixseitig teilweise durchbrochen dargestellte Frontansicht eines Wärmetauschers, worin eine erste Ausführungs­ form der Erfindung verdeutlicht ist,

Fig. 3 einen gemäß III-III der Fig. 2 gesehenen Teil­ schnitt geradschenkeliger Abschnitte der Pro­ filrohrbügel, worin die reguläre Staffelung der Profilrohrbügel verdeutlicht ist,

Fig. 4 einen gemäß IV-IV gesehenen Teilschnitt im Bogenbereich liegender Abschnitte der Profil­ rohrbügel, worin die deutlich engere Staffe­ lung der Rohrbügel in der gemeinsamen Bogen­ meridianebene der Matrix verdeutlicht ist,

Fig. 5 die Frontansicht der kompletten linken Wärme­ tauscherhälfte unter Berücksichtigung der sich im Sinne der ersten Ausführungsform nach Fig. 2, 3 und 4 ausbildenden Heißgasdurchströmung der geradschenkeligen Matrixstränge und des Matrix­ bogen- bzw. -umlenkbereiches,

Fig. 6 die Frontansicht einer kompletten rechten Wär­ metauscherhälfte in Rohrbügeldetailausbildung und -anordnung für eine zweite Ausführungsform mit entlang der Bogenmeridian­ ebene - von innen nach außen gesehen - sich zunehmend verringernder Profilrohrbeabstandung,

Fig. 7 einen Matrixbogenprofilrohr-Teilschnitt gemäß VII-VII der Fig. 6 sowie in besagter Bogen­ meridianebene der Matrix verlaufend,

Fig. 8 die Frontansicht einer kompletten rechten Wär­ metauscherhälfte in Rohrbügeldetailausbildung und -anordnung für eine dritte Ausführungsform unter Einschluß im Matrixbogen­ bereich überwiegend elliptisch gekrümmter Pro­ filrohrabschnitte und sich dabei - von innen nach außen gesehen - fortlaufend gegenseitig sich verringernder Profilrohrabstände,

Fig. 9 einen Matrixbogenprofilrohr-Teilschnitt gemäß IX-IX der Fig. 8 sowie in besagter Bogenmeri­ dianebene der Matrix verlaufend,

Fig. 10 einen der Ansicht nach Fig. 4 entsprechenden Matrixbogenprofilrohr-Teilschnitt unter Ver­ deutlichung einer gegenseitigen Profilrohr­ abstützung durch gegenseitig profilseitig ein­ gebrachte Ausbauchungen und

Fig. 11 ein für die Ausbauchungsherstellung geeignetes, schematisch dargestelltes Formwerkzeug.

Der Wärmetauscher nach Fig. 1 besteht aus zwei im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten Druckluftführungen 1, 2, die hier z. B. als separate Verteiler- bzw. Sammelrohre ausgebil­ det sind. Gemäß abgedunkelter Kontur sind die Druckluft­ führungen 1, 2 am jeweils hinteren Ende verschlossen ausgebildet. Die seitlich von beiden Druckluftführungen 1, 2 quer gegen die Heißgasströmung H U-förmig auskra­ gende Profilrohrmatrix 3 besteht aus zunächst geraden, parallel zueinander verlaufenden Profilrohrsträngen 4, 5, die in eine gemeinsame bogenförmige Profilrohrumlenk­ sektion 6 übergehen. Im Betrieb wird aufzuheizende Druck­ luft in die obere Druckluftführung 1 eingespeist (D ₁), durchströmt dann die geraden Profilrohrstränge 4 (D ₂), worauf sie über die Umlenksektion 6 umgelenkt wird (D ₃), sodann in umgekehrte Strömungsrichtung die geraden Pro­ filrohrstränge 5 durchströmt (D ₄), aus denen sie über die untere Druckluftführung 2 in aufgeheizten Zustand abströmt (D ₅), um einem geeigneten Verbraucher, z. B. der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes, zugeführt zu werden.

Abweichend von Fig. 1 wäre auch ein Wärmetauscher praktikabel, bei dem die zuvor genannten Druckluftführungen in ein gemeinsames Sammelrohr oder Verteilerrohr integriert sind, von dem die Matrix beid­ seitig U-förmig auskragt.

Im Hinblick beispielsweise auf Fig. 2, 3 und 4 äußert sich der Grundgedanke darin, daß die Pro­ filrohrbügel im bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Ma­ trix 3 in geringerem gegenseitigen Abstand angeordnet sind (Fig. 4) als in den geradlinig verlaufenden Matrix­ strängen, z. B. 4, Fig. 2 und 3.

Ausgestaltungsgemäß ergibt sich insbesondere gemäß Fig. 2 eine Anordnung, bei der die Profilrohrbügel bezüglich der geradschenkeligen Profilrohrsektionen 4 ₁, 4 ₂ bis 4 ₁₀ bzw. 5 ₁, 5 ₂ bis 5 ₁₀ sowie bezüglich der den Matrixbogen­ bereich 6 definierenden Profilrohrsektionen 6 ₁, 6 ₂ bis 6 ₁₀ jeweils in einer gemeinsamen Ebene übereinander ge­ staffelt angeordnet sind; diese Ebene kann im allgemeinen als eine quer zu den Rohrführungen 1, 2 (bzw. Sammel- und Verteilerohren) verlaufende, also als "Querebene" definiert werden. In einer gemeinsamen Bogenmeridianebene des Umlenkbereiches 6, also in einer Ebene, die dem Schnitt IV-IV (Fig. 2) folgt, sollen dabei also die Pro­ filrohrsektionen 6 ₁, 6 ₂ bis 6 ₁₀ in geringeren gegensei­ tigen Abständen übereinander gestaffelt angeordnet sein als die Profilrohrsektionen 4 ₁, 4 ₂ bis 4 ₁₀ bzw. 5 ₁, 5 ₂ bis 5 ₁₀ in den geradschenkelig verlaufenden Matrixsträn­ gen 4, 5. Gemäß Fig. 2 ist ferner erkennbar, daß die Profilrohrbügel bezüglich der im Umlenk- bzw. Bogenbe­ reich 6 enthaltenen Profilrohrsektionen 6 ₁, 6 ₂ bis 6 ₁₀ in gleichmäßigen, verhältnismäßig geringen Abständen über- bzw. nebeneinander angeordnet sind.

Genau genommen besteht gemäß Fig. 2 der bogenförmige Umlenkbereich 6 aus halbkreisförmig gekrümmten, von außen nach innen fortlaufend mit 6 ₁, 6 ₂ bis 6 ₁₀ bezifferten Profilrohrabschnitten; dabei sind die den letzteren je­ weils zugeordneten Kreismittelpunkte K ₁, K ₂ bis K ₁₀ be­ zeichnet und entsprechend der Rohrbeabstandung im Bogen­ bereich sowie mit Rücksicht auf eine von außen nach innen abnehmende Bogenradiusverringerung - jeweils pro Quer­ ebene - auf einer gemeinsamen Geraden G fortlaufend nach außen verschoben. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind also die Kreismittelpunkte K ₁, K ₂ usw. bis K ₁₀ in fortlaufend gleichen Abständen auf der Geraden G angeord­ net.

Aus Fig. 2 ist also erkennbar, daß die gekrümmten Profil­ rohrsektionen 6 ₁, 6 ₂ usw. bis 6 ₁₀ geometrisch kontinuier­ lich fluchtend in die zugehörigen geradschenkeligen Pro­ filrohrsektionen 4 ₁, 4 ₂ bis 4 ₁₀ bzw. 5 ₁, 5 ₂ bis 5 ₁₀ über­ gehen; ferner ist aus Fig. 2 ein bezüglich der gerad­ schenkeligen Profilrohrsektionen (4 ₁ usw. bzw. 5 ₁ usw.) - von außen nach innen - zunehmender Profilrohrlängen­ gewinn erkennbar, der sich aus der erwähnten fortlaufen­ den Kreismittelpunktsverschiebung ergibt; mithin liegen in Fig. 2 gleichförmig schräg verlaufende Rohrbasen R, R′ vor, die unter jeweils gleichen Neigungswinkeln α, β gegenüber einer Senkrechten S angestellt sind, die sowohl den auf der Geraden G liegenden Kreismittelpunkt K ₁ schneidet und ferner auch die gemeinsamen Schnittpunkte S ₁, S ₂ der Rohrbasen R, R′ mit dem Profilrohrmittenkreis M des am weitesten außen liegenden Profilrohrbogenab­ schnitts 6 ₁ hindurchgeht.

Gemäß Fig. 3 und 4 greifen die Matrixprofilrohrabschnitte 4 ₁, 4 ₂, 4 ₁′, 4 ₁′′, 4 ₂′′ der geradschenkeligen Matrixstränge, z. B. 4, und die mit diesem verbundenen zugehörigen Pro­ filrohrabschnitte 6 ₁, 6 ₂, 6 ₁′, 6 ₁′′, 6 ₂′′ jeweils räumlich verschachtelt ineinander. Unter Zugrundelegung einer jeweils gleichen seitlichen Profilrohrbeabstandung ergibt sich gegenüber Fig. 3 (Durchströmfläche F 1) die in Fig. 4 verringerte Heißgasdurchströmfläche F ₂. Mit anderen Worten ver­ körpert Fig. 3 die reguläre und Fig. 4 die angestrebte engere Profilrohrstaffelung.

Unter Anwendung der gleichen Bezugszeichen gemäß Fig. 1 und 2 verkörpert Fig. 5 die aus den Maßnahmen nach Fig. 1 bis 4 resultierenden Auswirkungen auf die Heißgasströmung. Hierzu sei kurz auf die eingangs bereits erwähnten nachteilhaften Kriterien bekannter Wärmetauscherkonzepte im Wege der Nomenklatur nach Fig. 1 eingegangen.

Reguläre optimale Heißgasdurchströmverhältnisse können hierbei lediglich bezüglich der blockartig, geradlinig quer gegen die Heißgasströmung H auskragenden Matrix­ profilrohrreihen 4, 5 (Fig. 1) zugrunde gelegt werden. In diesen örtlichen Matrixbereichen sind die einzelnen Profilrohre unter Gewährleistung einer vorgegebenen ein­ wandfreien gleichförmigen Heißgasversperrung sowie Heiß­ gasdrosselung gleichförmig verschachtelt zueinander ange­ ordnet; die Profilrohrreihen sind also im Rahmen eines einwandfreien Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozesses vom Heißgasstrom H umströmbar.

Infolge der eingangs zu Bekanntem beschriebenen Profil­ rohranordnung im bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix 3 ist dort die Heißgasdrosselung verhältnismäßig gering, es ergibt sich ein Ungleichgewicht hinsichtlich der Heißgas-Massenstromdichte zwischen dem Umlenkbereich 6 und den geradschenkelig verlaufenden Profilrohrreihen 4, 5; der Wärmetauschprozeß Heißgas/Druckluft ist im Umlenk­ bereich 6 verhältnismäßig ungünstig. Im Bestreben, die Heißgasströmung zumindest dem Bogenverlauf folgend an den Profilen entlangströmen zu lassen, wird eine verhält­ nismäßig lange bogenseitige Berandung erforderlich.

Ferner können die aus dem bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix 3 (Fig. 1) mit verhältnismäßig großer Strö­ mungsgeschwindigkeit abfließenden Heißgasanteile die Heißgasabströmung aus der übrigen Matrix mit den überwiegend geradschenkeligen Matrixsträngen beeinträchtigen (Misch­ turbulenzen).

Im Rahmen des u. a. durch die Fig. 2 bis 4 ver­ körperten Gegenstandes kann gemäß Fig. 5 eine im wesent­ lichen zentrisch die Profilrohrkrümmung im Bogenbereich entgegengerichtet gekrümmt überschneidende, hier durch Überkreuz-Schraffur verdeutlichte schwach vom Heißgas durchströmte Zone 7 ausgebildet werden. Gemäß Fig. 5 kann auch der wesentlichste Teil des bogenförmigen Matrix­ umlenkbereiches 6 gemäß Pfeilfolge H ₁, H ₂, H ₃ vom Heiß­ gas so durchströmt werden, daß ein Kreuz-Gegenstrom- Wärmetauschprozeß möglich ist, und zwar dies als Folge der örtlichen gegenseitigen Heißgasdurchström-Querschnitts­ verringerung (Flächen F ₂ - Fig. 4), die wiederum die schwach durchströmte Zone 7 und damit den bogenseitig nach innen ausgebeulten Heißgasströmungsverlauf H ₁, H ₂, H ₃ nach sich zieht. Zugleich kann das eingangs zu Bekann­ tem erwähnte Ungleichgewicht der Massenstromdichte zwi­ schen dem bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix 3 und geradschenkeligen Profilrohrreihen 4, 5 (Profilrohr­ abschnitte 4 ₁, 4 ₂ bis 4 ₁₀ bzw. 5 ₁, 5 ₂ bis 5 ₁₀) im wesent­ lichen beseitigt und eine ungestörte, homogene Durch­ strömung der gesamten Matrix 3 bei gleichzeitig ferner im wesentlichen gleichen Abströmgeschwindigkeiten sämt­ licher Heißgasanteile aus der Matrix 3 erzielt werden (Heißgasflußfolge H ₁, H ₂, H ₃, H ₄, H ₅, H ₆).

Gemäß Fig. 5 kann eine z. B. als mittelbarer oder unmit­ telbarer Bestandteil eines die Heißgase führenden Gehäu­ ses ausgebildete Berandung 8 entlang der äußeren Rohrbö­ gen 6 ₁ der Matrix 3 verhältnismäßig kurz, d. h. im Bogen­ sinne verlaufend kurz, ausgeführt werden, während z. B. das Gehäuse parallel zur Heißgashauptströmungsrichtung H verlaufen kann.

Wie beispielsweise in Fig. 5 durch schematische Zuordnung gestrichelt repräsentiert, kann die im Bogensinne verhält­ nismäßig kurz ausführbare bzw. von geringer lichter Breite ausgeführte Berandung 8 über eine stützkraftübertragende Bauteilhalterung 9 beweglich am benachbarten Wärmetau­ schergehäuse 10 aufgehängt ist; dabei können besondere Heißgasabsperrdichtungen zwischen Berandung 8 und Gehäuse 10 vorgesehen sein, die mittelbar oder unmittelbar bewe­ gungskompensatorisch mit der Bauteilhalterung 9 zusammen­ wirken können. Im übrigen kann die Bauteilhalterung 9 selbst die notwendige Heißgasabsperrung zwischen Beran­ dung 8 und Gehäuse 10 bewirken.

Abweichend von Fig. 5 kann auch eine längs geteilte, aus zwei Schalenelementen bestehenden Bogenberandung vorge­ sehen sein, die sich mittels bewegungskompensatorischer Bauteilhalterungsmittel am Wärmetauschergehäuse abstützen kann.

Im Gegensatz zur Variante nach Fig. 2 bis 4, bei der die bogenförmigen Profilrohrabschnitte, z. B. 6 ₁, 6 ₂ bis 6 ₁₀, auf der bogenmeridianen Geraden G mit gleichmäßig engen Abständen übereinander liegen, können die betreffenden Profilrohrabschnitte im bogenförmigen Umlenkbereich auch - gemäß einer weiteren Variante - in ungleichförmigen verhältnismäßig engen Abständen übereinander liegen.

Eine konkrete Ausgestaltungsalternative hierzu ergibt sich aus den Fig. 6 und 7, wonach die zu den Profilrohr­ bügeln gehörenden, den bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix definierenden Profilrohrabschnitte 6 ₁, 6 ₂ usw. bis 6 ₁₀ in der durch den bogenmeridianen Schnitt VII-VII der Fig. 6 in Fig. 7 wiedergegebenen Weise, in Richtung vom innersten Profilrohrbügel mit dem kleinsten Krümmungs­ bogen (Profilrohrabschnitt 6 ₁₀) auf einen äußersten Pro­ filrohrbügel mit dem größten Krümmungsbogen (Profilrohr­ abschnitt 6 ₁), in sich fortlaufend verringernden Abstän­ den übereinander liegen. Dabei sind die jeweils einem Profilrohrfeld gemäß Fig. 6 zugehörigen Kreismittelpunkte - in Zuordnung zu den bogenförmigen Profilrohrabschnitten 6 ₁, 6 ₂ und 6 ₁₀ mit K ₁, K ₂ und K ₃ auf der Geraden G auf­ getragen. Im Gegensatz zu Fig. 2 sind in Fig. 6 die Rohr­ basen R, R′ entsprechend der zunehmenden Mittelpunktsver­ dichtung (K ₁ nach K ₁₀) leicht kontinuierlich bogenförmig verlaufend sowie etwa im Sinne von Fig. 2 schräg zur Senkrechten S angestellt.

Gemäß der bogenmeridianen Schnittdarstellung des ver­ schachtelt ineinandergreifenden Profilrohrfeldes nach Fig. 7 verkörpern z. B. die schwarz aufscheinenden Heiß­ gasdurchströmflächen H _{f 1} (innerer Teil des Umlenkbereichs 6) sowie H _{f 2} (äußerer Teil des Umlenkbereichs 6) die von innen nach außen sich kontinuierlich fortsetzende Heißgas­ durchströmflächenverringerung.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 und 7 ist ein mit Fig. 5 vergleichbarer bzw. ähnlicher vorteilhafter Strö­ mungsverlauf H ₁ bis H ₆ im Hinblick auf eine sich außen­ randständig ausbildende nur verhältnismäßig schwach durch­ strömte Zone 7 zu erwarten, wobei berandende Strukturen der Matrix sowie der randständigen Abdichtung in bezug auf die Heißgehäusestruktur in sinngemäßer Weise gemäß Fig. 5 auch in Fig. 6 und 7 zugrunde gelegt werden können.

In nicht weiter dargestellter Weise wäre der Wärmetauscher auch dann realisierbar, wenn die Profilrohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene des Matrixumlenkbereichs in Richtung vom jeweils innersten Profilrohrbügel mit dem kleinsten Krümmungsbogen auf den äußersten Rohrbügel mit den jeweils größten Krümmungsbogen zunächst in fort­ laufend verhältnismäßig großen und dann in verhältnis­ mäßig kleinen gleichmäßigen Abständen übereinanderliegen.

Im Gegensatz zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 bis 5 sowie Fig. 6 und 7, die jeweils kreis­ förmige Rohrschnitte im Matrixumlenkbereich 6 aufweisen, ist es ferner möglich, den Matrixumlenk­ bereich aus kreisförmigen und elliptischen bzw. nur aus elliptisch gekrümmten Profilrohrabschnitten zu bilden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 und 9 wird also z. B. der jeweils am weitesten innen liegende gekrümmte Profilrohrabschnitt 6 ₁₀ kreisförmig ausgebildet, während die hieraus folgenden Profilrohrschnitte 6 ₉, 6 ₈ bis 6 ₁₀ elliptisch gekrümmt sind, wobei sämtlichen Profilrohr­ abschnitten 6 ₁₀ bis 6 ₁ auf den betreffend zugehörigen Geraden G ein gleicher Mittelpunkt M zugeordnet ist. In Fig. 8 und 9 wird also die jeweils große Achse (A) der elliptisch gekrümmten Profilrohrabschnitte durch die gleichmäßige Profilbeabstandung in den geradschenkeligen Matrixsträngen 4, 5 (Profilrohrabschnitte 4 ₁, 4 ₂ bis 4 ₁₀ bzw. 5 ₁, 5 ₂ bis 5 ₁₀) vorgesehen und deren jeweils kleine Achse (B) durch die gewählte Profilabschnittsbeabstandung in der Bogenmeridianebene (Schnitt IX-IX); dabei ist in Fig. 8 und 9 also eine im Matrixbogenbereich von innen nach außen hin sich fortlaufend verringernde Profilab­ schnittsbeabstandung vorgesehen, was gemäß Fig. 9 - ähn­ lich Fig. 7 - zu der örtlichen - von außen nach innen gesehen - sich stetig fortsetzenden Heißdurchströmflächen­ verringerung führt und auch hier wiederum symbolisch durch eine innere, verhältnismäßig große (H _{f 1}) und eine äußere, verhältnismäßig kleine Heißgasdurchströmfläche H _{f 2} verdeutlicht ist.

Aufgrund der in Fig. 8 und 9 angegebenen Bauweise kann gegenüber den Ausführungsformen nach Fig. 2 bis 7 - bei äquivalenter Matrixbaulänge und Breite - das den Umlenk­ bereich 6 der Matrix 3 ausbildende Matrixvolumen (Profil­ rohrabschnitte 6 ₁ bis 6 ₁₀) verringert werden bei zugleich insgesamt vergrößerter Baulänge der geradschenkeligen Profilrohrreihen 4, 5 mit den Profilrohrabschnitten 4 ₁ bis 4 ₁₀ bzw. 5 ₁ bis 5 ₁₀.

Für Fig. 4 und 8 kann eine mit Fig. 5 etwa vergleichbare Heißgasdurchströmung zugrunde gelegt werden in Verbindung mit einer vom äußeren Bogenrand aus etwa pilzförmig gegen die vorhandene Profilrohrkrümmung nach innen sich aus­ krümmende schwach durchströmten Zone.

Gemäß Fig. 2, 5, 6 und 8 kann die Bogenmeridianebene in einer Ebene liegen, die sich mittig sowie parallel zwi­ schen den beiden geradschenkeligen Matrixsträngen er­ streckt, wobei die die Kreismittelpunkte K ₁, K ₂, K ₆ ent­ haltenden Geraden G (Fig. 2 und 6) oder die einen oder kleinen Achsen B (Fig. 8), welche den elliptisch gekrümm­ ten bzw. halbelliptischen Profilrohrabschnitten 6 ₁ bis 6 ₁₀ zugehörig sind, in dieser Ebene liegen.

Wie ferner aus den Fig. 3, 4, 7 und 9 entnehmbar, weisen die Profilrohrbügel einen jeweils gleichförmigen, läng­ lich ovalen Profilquerschnitt auf.

Die engere Staffelung des Profilrohr­ feldes im Zenit des Bogenbereiches erlaubt in vorteilhaf­ ter Weise auch die Lösung des mechanischen Problems, im Betrieb des Wärmetauschers die vorgegebenen Abstände zwischen den Profilrohren einzuhalten. Ohne besondere diesbezügliche Maßnahmen können die Bogenbereiche der Rohrbügel in Querrichtung leicht aus ihrer Normallage ausgelenkt werden, denn eine solche elastische Bewegung bewirkt Biegung des Profilrohres um die Achse seines geringsten Biegewiderstandsmomentes. Die aus dieser Be­ wegung heraus möglichen Querschwingungen der Rohrbügel können die Außenströmung und deren Wärmeaustausch emp­ findlich stören und sollen daher vermieden werden. Dazu ist es erforderlich, die Profilrohre auch im Bogenbereich aneinander abzustützen. Diese Abstützung darf das Grund­ prinzip dieser Wärmetauscherbauart nicht verletzen, nach dem sich jeder individuelle Rohrbügel ohne Zwang frei in der Länge ausdehnen können soll. Andererseits sollte eine Abstützung in diesem Bereich die Querschnitte für die längsgerichtete Durchströmung nicht versperren.

Zur Erfüllung dieser Forderungen wird in weiterer Ausge­ staltung vorgeschlagen, die den bogenförmi­ gen Umlenkbereich ausbildenden Profilrohrabschnitte z. B. örtlich im Zenit des Bogens über ihre Spitzen in Richtung ihrer größeren Achse zu stauchen und zwar in dem Maße, daß die Flanken in kontrollierter Weise seit­ lich nach außen ausbeulen (Ausbeulungen 10). Dieser Vor­ gang wird mit Hilfe von Spezialwerkzeugen ausgeführt, so daß die Form des gestauchten Profilabschnittes präzise und wiederholbar erzeugt wird. Die Werkzeuge 11, 12 kön­ nen - wie in Fig. 11 gezeigt - gestaltet sein.

Beim Zusammenfügen der solcherart behandelten Profilrohr­ bügel zu der erfindungsgemäßen Bogenkonfiguration entsteht in diesem Bereich eine Packung, wie in Fig. 10 dargestellt. Damit werden die genannten Bedingungen für die gegensei­ tige Abstützung der Profilrohre erfüllt. Bei Bedarf kön­ nen die Berührungsstellen der Profiloberflächen mit einer Verschleißschutzschicht versehen werden.

Claims (11)

1. Wärmetauscher mit einer quer gegen eine Heißgasströ­ mung U-förmig auskragenden, aus räumlich ineinander verschachtelten Profilrohrbügeln zusammengesetzten Kreuz-Gegenstrom-Matrix, die über zwei geradschenke­ lige, in einen bogenförmigen Umlenkbereich auslau­ fende Matrixstränge an zwei im wesentlichen parallel nebeneinander und quer zur Matrix angeordnete Druck­ luft-Rohrführungen angeschlossen ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Profilrohrbügel im bogenförmigen Umlenkbereich (6) der Matrix (3) in geringerem gegen­ seitigen Abstand angeordnet sind als in den gerad­ schenkelig verlaufenden Matrixsträngen (4, 5).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Profilrohr­ bügel, jeweils übereinander gestaffelt, in parallel zueinander verlaufenden, die Rohrführungen in Quer­ richtung schneidenden Ebenen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Ebene zugehörigen Pro­ filrohrbügel im Matrixumlenkbereich (6) in einer gemeinsamen Bogenmeridianebene in geringeren Abstän­ den übereinander angeordnet sind als in den gerad­ schenkelig verlaufenden Matrixsträngen (4, 5), in denen die Profilrohrabschnitte (4 ₁, 4 ₁₀; 5 ₁, 5 ₁₀) mit gleichmäßigen Abständen parallel übereinander­ liegen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Profilrohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene in gleichmäßigen Abständen über­ einander angeordnet sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Profilrohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene in ungleichmäßigen Abständen über­ einanderliegen.

5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profil­ rohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene, in Richtung vom innersten Profilrohrabschnitt (6 ₁₀) mit dem kleinsten Krümmungsbogen auf den äußersten Rohr­ abschnitt (6 ₁) mit dem größten Krümmungsbogen, in sich fortlaufend verringernden Abständen übereinander­ liegen.

6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profil­ rohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene, in Richtung von innersten Profilrohrabschnitt mit dem kleinsten Krümmungsbogen auf den äußersten Profilrohr­ abschnitt mit dem größten Krümmungsbogen, zunächst in fortlaufend verhältnismäßig großen und dann in verhältnismäßig kleinen gleichmäßigen Abständen über­ einanderliegen.

7. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der bogenförmige Matrixumlenkbereich (6) aus halbkreisförmig gekrümm­ ten Profilrohrabschnitten (6 ₁, 6 ₂, 6 ₁₀) besteht, deren Kreismittelpunkte (K ₁, K ₂, K ₁₀) entsprechend der gewählten Rohrbeabstandung im Bogenbereich sowie mit Rücksicht auf eine von außen nach innen abneh­ mende Bogenradiusverringerung jeweils auf einer ge­ meinsamen Geraden (G) fortlaufend nach außen verscho­ ben sind.

8. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der bogenförmige Matrixumlenkbereich aus ellip­ tisch gekrümmten Profilrohrabschnitten (6 ₁, 6 ₈, 6 ₉, 6 ₁₀) mit jeweils gleichem Mittelpunkt (M) besteht, deren jeweils große Achse (A) durch die gleichmäßige Profilabschnittsbeabstandung in den geradschenkeligen Matrixsträngen (4, 5) vorgegeben ist und deren jeweils kleine Achse (B) durch eine gewählte Profilabschnittsbeabstandung in der Bogenmeridianebene vorgegeben ist (Fig. 8).

9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogeneri­ dianebene bzw. deren Verlängerung sich mittig sowie parallel zwischen den beiden geradschenkeligen Matrix­ strängen (4, 5) erstreckt, wobei die die Kreismittel­ punkte (K ₁, K ₂, K ₁₀) enthaltende Geraden (G) oder die kleinen Achsen (B), welche den ellip­ tisch gekrümmten Profilrohr­ abschnitten (6 ₁, 6 ₈, 6 ₉, 6 ₁₀) zugehörig sind, auf der verlängerten Bogenmeridianebene liegen.

10. Wärmetauscher nach einer oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohr­ bügel einen jeweils gleichförmigen, länglich ovalen Profilquerschnitt aufweisen.

11. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den bogen­ förmigen Umlenkbereich der Matrix ausbildenden Profil­ rohrabschnitte (6 ₁, 6 ₂, 6 ₁′′, 6 ₂′′) im Bereich bzw. in der Bogenmeridianebene mittels profilendseitig einge­ brachter Ausbauchungen (10) gegeneinander abgestützt sind (Fig. 10).