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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit
Kreuz-Gegenstrom-Matrix für
die Kühlung
eines heißen
Gases mittels eines Kühlmediums,
wobei die Matrix Profilrohre aufweist, welche an kühlmittelzu- und
kühlmittelabführende Zentralrohre
oder Abschnitte von Zentralrohren angeschlossen sind, und ein Teilstrom
L des gekühlten
Gases stromab der Matrix abgezweigt und dem ungekühlten Gas
stromauf der Matrix über
einen Gasmischen beigemischt wird, nach Patentschrift
DE 41 31 913 C2 .
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Die
auftretenden Temperaturen in einem Luftstrahltriebwerk für Hochgeschwindigkeitsflugzeuge
sind aufgrund der großen
Machzahl außerordentlich
hoch. Dies gilt im besonderen Maße für hyperschallschnelle Flugzeuge.
Dadurch ergibt sich eine hohe abzuführende Wärmemenge um die Materialtemperatur
der Bauteile im heißen
Bereich des Triebwerkes innerhalb der zulässigen technischen Grenzen
zu halten. Dabei tritt zusätzlich
das Problem auf, dass die Lufttemperaturen im Lufteinlauf eines
Hyperschalltriebwerkes bei Machzahlen im Bereich von 5 bis 7, 1500
K bis 2300 K errei chen. Eine Kühlung der
heißen
Triebwerkskomponenten z.B. im Bereich der Brennkammer, der Turbine
und nachgeschalteter Teile, wie Nachbrennerelemente durch derartig
erhitzte Luft gestaltet sich als besonders schwierig. Daher wird
die aufgeheizte Luft einer Kühlvorrichtung zugeführt, wo
sie unter Ausnutzung der Kühlkapazität des flüssig mitgeführten aber
im gasförmigen
Zustand verbrannten Treibstoffes in einem Wärmetauscher zwischengekühlt wird.
Als Treibstoff eignet sich hierfür
insbesondere Wasserstoff. Die zulässige Erwärmung des Wasserstoffs ergibt
sich daraus, dass die Austauschelemente des Wärmetauschers, die zugleich
zur Trennung des Wasserstoffs von der Luft dienen, bei metallischer
Ausführung
unterhalb maximaler Temperaturen von 1000 K bis 1100 K gehalten werden
müssen.
Zur Reduzierung der Lufttemperatur stromauf der Wärmetauscher-Matrix
ist es aus der Patentschrift
DE 41 31 913 C2 bekannt, einen Teilstrom
der gekühlten
Luft stromabwärts
der Matrix abzuzweigen und diese stromaufwärts der Matrix der heißen Luft
beizumischen.
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Der
mit der
DE 41 31 913
C2 offenbarte Wärmetauscher
geht von zwei bei Wärmetauschern
für Hyperschall-Fluggeräte kritischen
Problemen aus:
- I. Vereisung der in der Stauluft
enthaltenen Feuchtigkeit an der Wärmetauscher-Matrix infolge
der extrem tiefen Temperatur des Kühlmittels/Treibstoffes (flüssiger Wasserstoff,
LH2),
- II. Werkstoffbeanspruchung infolge der großen Temperaturdifferenz Stauluft/Kühlmittel.
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Gemäß Anspruch
1 und 2 dieser Patentschrift werden diese Probleme dadurch gelöst, dass sowohl
ein Teilstrom T des Treibstoffes/Kühlmittels als auch ein Teilstrom
L der Stauluft durch den Wärmetauscher
rezirkuliert werden, wodurch am Wärmetauschereintritt die Lufttemperatur
sinkt bzw. die Treibstofftemperatur steigt. Es geht also um den
Zutrittsbereich der Luft und um den Zutrittsbereich des Treibstoffes
zum Wärmetauscher
bzw. zu dessen Matrix. Dabei ist vorgesehen, die Teilströme T und
L möglichst
gleichmäßig in ihre
Hauptströme
zu rezirkulieren.
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Hiervon
ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen gattungsgemäßen Wärmetauscher
anzugeben, bei dem der Austrittsbereich der Wärmetauscher-Matrix für das Kühlmittel/den
Treibstoff vor Überhitzung
geschützt
ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass dem Gas, welches die Profilrohre in ihrem Anschlussbereich
an das kühlmittelabführende Zentralrohr
bzw. den entsprechenden Abschnitt eines Zentralrohres umströmt, über den
Gasmischer oder über
einen zusätzlichen
Gasmischer zumindest ein Bruchteil des Teilstromes L örtlich konzentriert
zugeführt
wird.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher
hat den Vorteil, dass Matrixbereiche, welche einer erhöhten Temperaturbeanspruchung
ausgesetzt sind, gezielt mit reduzierter Gastemperatur beaufschlagt
werden. Der Mündungsbereich
der Profilrohre in das kühlmediumabführende Zentralrohr gilt
hierbei als ein solcher Matrixbereich. Dort ist das, die Profilrohre durchströmende Kühlmittel
bereits aufgeheizt und bei Wasserstoff als Kühlmedium u.U. schon verdampft,
so daß die
Kühlwirkung
in diesem Bereich nachläßt. Dieser
temperaturerhöhende
Effekt verstärkt
sich bei den stromaufwärtigen
Profilrohren, da diese Profilrohre vom ungekühlten Gas beaufschlagt werden.
Gerade eine gezielte erfindungsgemäße Kühlung dieser kritischen Profilrohre
erspart eine aufwendige Durchmischung des gesamten Gasstromes mit
vorgekühltem
Gas oder reduziert das Mischungsverhältnis auf ein akzeptables Niveau.
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Als
besonders effektive Weiterbildung der Erfindung erweist sich die
Anordnung des Gasmischers bzw. des zusätzlichen Gasmischers innerhalb der
Gasströmung
in stromaufwärtiger
Verlängerung des
kühlmittelabführenden
Zentralrohres.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
eines Hyperschall-Luftstrahltriebwerkes mit schematischer Darstellung
des Wärmetauschers
innerhalb der Triebwerks-Kühlvorrichtung,
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2a einen
Längsschnitt
eines Wärmetauschers
mit trommelförmiger
Kreuz-/Gegenstrommatrix und sektorförmigem Gasmischer,
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2b einen
Längsschnitt
eines Wärmetauschers
mit trommelförmiger
Kreuz-/Gegenstrommatrix und sternförmigem Gasmischer,
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3a einen
Querschnitt durch den Wärmetauscher
gemäß 2a
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3b einen
Querschnitt durch den Wärmetauscher
gemäß 2b
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4 einen
Querschnitt durch die Matrix des Wärmetauschers gemäß 2,
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5 einen
Längsschnitt
eines Wärmetauscher
mit bügelförmiger Kreuz-/Gegenstrommatrix und
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6 einen
Querschnitt durch den Wärmetauscher
mit Blick auf die Matrix nach 5.
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In 1 ist
ein schematischer Längsschnitt durch
ein Luftstrahltriebwerk 1 für Hyperschallbetrieb dargestellt,
das im wesentlichen aus einem Lufteinlauf 2, einem Fantriebwerk 3,
einem Nachbrenner 4 und einer vorzugsweise verstellbaren
Düse 5 besteht.
Das Fantriebwerk 3 ist in der dargestellten Ausführung als
Zweikreiser mit zweistufigem Fan 6, und einem Hochdruckverdichter 7 für die Kernluftströmung ausgeführt. Weiterhin
sind dem Fantriebwerk 3 eine Brennkammer 8 und
eine Hoch- und Niederdruckturbine 9 zugeordnet.
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Die
Kühlvorrichtung
zur Bereitstellung von Kühlluft
für das
Triebwerk 1 weist eine mit dem Lufteinlauf 2 kommunizierende
Luftführung 11 auf,
die einem Wärmetauscher 12 Stauluft
zuführt.
Der luftseitige Ausgang des Wärmetauschers 12 ist
mit einem Kühlluftverdichter 13 verbunden,
der über
eine Kühlluftleitung 14 mit
dem Fantriebwerk 3, bzw. mit den zu kühlenden Bauteilen gekoppelt
ist. Dies sind insbesondere die Turbine 9, die Düse 5,
gegebenenfalls der Fan 6 und die Wandung des Bypaßkanals 10 bzw.
des Fantriebwerkes 3.
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Die
bei der Kühlung
der heißen
Stauluft abgegebene Wärme
wird im Wärmetauscher 12 vom
in verflüssigter
Form mitgeführtem
Treibstoff aufgenommen, der den Wärmetauscher 12 unter
Verdampfung durchströmt.
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Dazu
ist am Wärmetauscher 12 zumindest eine
Treibstoffzuleitung 15 mit einer Treibstoffpumpe 24 für flüssigen oder
gasförmigen
Treibstoff und eine Abströmleitung 16 für verdampften
Treibstoff angeschlossen. Die Abströmleitung 16 führt der
Einspritzvorrichtung 17 des Nachbrenners 4 Treibstoff
zu und versorgt auch die Brennkammer 8 mit Treibstoff.
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Zur
Rückführung eines
Teilstromes T des aus dem Wärmetauscher 12 austretenden
Treibstoffes, ist eine Rezirkulationsleitung 18 mit der
Abströmleitung 16 und
einem Treibstoffmischer 19 verbunden. Der Treibstoffmischer 19 ist
stromaufwärts
des Wärmetauschers 12 angeordnet
und mischt Treibstoff von der Treibstoffzuleitung 15 kommend
mit vorgewärmtem,
verdampften Treibstoff. Je nach Vereisungsgefahr des Wärmetauschers 12 bzw.
dessen Matrix 20 und den für den Betrieb des Luftstrahltriebwerkes 1 gewünschten
Zustandsgrößen des
Treibstoffes und der Kühlluft,
wird über
einen nicht näher dargestellten
Regler ein Rückführgebläse 21 gesteuert,
welches in der Rezirkulationsleitung 18 angeordnet ist
und den erforderlichen Teilstrom T fördert.
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Um
auch bei extrem hohen Lufteintrittstemperaturen, die im Hyperschallflug
auftreten, nicht zu hohe Temperaturen und Temperaturgradienten am Wärmetauscher
im Lufteintrittsbereich zu verursachen, wird zusätzlich zur Rückführung des
Treibstoffes ein Teilstrom L der gekühlten Kühlluft über einen Rückströmkanal 22, welcher
mit der Kühlluftleitung 14 stromab
des Wärmetauschers 12 und
mit der Luftzuführung 11 stromauf
des Wärmetauschers 12 verbunden
ist, der heißen
Kühlluft
stromauf der Matrix 20 des Wärmetauschers 12 beigemischt.
Bei entsprechender Steuerung des im Rückströmkanal 22 angeordneten
Gasgebläses 23 im
Zusammenwirken mit dem Regler können
die Werkstofftemperaturen des Wärmetauschers 12 auf
ein technisch beherrschbares Niveau reduziert werden. Zur Einstellung
der für
den Betrieb des Luftstrahltriebwerkes 1 erforderlichen
Kühllufttemperatur
wird das Rückführgebläse 21 und
das Gasgebläse 23 in
Abhängigkeit der
Zuströmgrößen in den
Zuführungen
bzw. -leitungen 11 und 15 gemeinsam vom Regler
gesteuert.
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Die 2a und 2b zeigen
einen Längsschnitt
durch einen Wärmetauscher 12 mit
integriertem Rückströmkanal 22 zur
Luftrückführung. Das
zylindrische Druckgehäuse 25 des
Wärmetauschers 12 mit
an beiden Enden angeflanschten Übergangskonen 26 wird
von der Kühlluft
K axial durchströmt,
wobei der Teilstrom L einen separaten zylindrischen Innenraum entgegen
der Hauptströmungsrichtung
S durchströmt.
Hierzu ist das Innere des Wärmetauschers 12 mittels
eines Hohlzylinders 27, welcher konzentrisch zum Druckgehäuse 25 angeordnet
ist, in zwei Bereiche aufgeteilt – der Ringkanal 28 radial außerhalb
des Hohlzylinders 27 und der Rückströmkanal 22 im Inneren
des Hohlzylinders 27. Dieser Rückströmkanal 22 schließt an seinen,
bezüglich
der Hauptströmungsrichtung
S stromaufwärtigen
Ende mit einem Gasmischer 32 ab, welcher den Teilstrom L
mit der ungekühlten
Kühlluft
des Ringkanals 28 vermengt und vorkühlt. Zur gezielten Vorkühlung der Luft,
welche den sektorförmigen
Bereich B der Matrix 20 durchströmt ist der Gasmischer 32 als
sektorförmiger
Fächer 45 ausgebildet,
wie in den 2a und 3a dargestellt.
Der sektorförmige
Bereich B erstreckt sich symmetrisch zu beiden Seiten des treibstoffabführenden
Abschnitts des Zentralrohres 31a. In diesem Bereich B ist
die Treibstofftemperatur innerhalb der Profilrohre 35 am
höchsten,
wodurch die Kühlwirkung
des Treibstoffes reduziert ist. Der Gasmischer 32, dessen
Fächer 45 in
stromaufwärtiger Verlängerung
des Bereiches B in den Luftstrom K ragt, führt zu einer, der verminderten
Kühlwirkung entsprechenden
Vorkühlung
der Luft. Hierdurch wird die zulässige
Werkstofftemperatur der Profilrohre 35 nicht überschritten.
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Eine
alternative Ausbildung des Gasmischers 32 ist in den 2b und 3b gezeigt.
Dieser Gasmischer 35 weist sternförmig nach radial außen in den
Ringkanal 28 ragende Fächer 45 auf. Hierdurch
wird eine gleichmäßige Vorkühlung der Luft
erzielt. Für
den vorhergehend beschriebenen temperaturkritischen Bereich B ist
ein Fächer 45 in Umfangsrichtung
sektorförmig
erweitert, wodurch eine verstärkte
Vorkühlung
der den Bereich B durchströmten
Luft erzielt wird. Der sektorförmige
Fächer 45 ist
um das achsparallele Zentralrohr 31a entsprechend zugeschnitten
(siehe 2a und 2b, 3a und 3b).
Das stromabwärtige
Ende des Hohlzylinders 27 bildet ein zum Ringkanal 28 konzentrischer
Kegel 33 mit einer Umlenkfläche 34, welcher den
Teilstrom L aus dem Ringkanal 28 in den Rückströmkanal 22 abzweigt.
Der offene Kegel 33 ragt hierzu über den Hohlzylinder 27 hinaus
in den Ringkanal 28. Zur Mengensteuerung des Teilstromes L
ist im Rückströmkanal 22 ein
Gasgebläse 23 angeordnet.
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Die
Matrix 20, welche im Ringkanal 28 positioniert
ist und den Hohlzylinder 27 umfaßt, setzt sich – wie in
den 2 und 4 gezeigt – aus zwei
einzelnen Trommelmatrizen 30, eine Kreuz-/Gegenstrommatrix
bildend, zusammen. Dazu sind die beiden Trommelmatizen 30a und 30b über zwei
zur Wärmetauscherlängsachse
parallele diametral gegenüberliegende
Zentralrohre 31a und 31b gekoppelt. Der Durchmesser
der Zentralrohre 31a und 31b entspricht der Höhe des Ringkanals 28.
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Die
Matrix 20 wird vom Treibstoff im Sinne eines Kreuz-/Gegenströmers wie
folgt durchströmt: Der
Treibstoff tritt von der nicht mehr dargestellten Verbindungsstelle
zwischen dem stromabwärtigen Ende
des Zentralrohrs 31a und der Treibstoffzuleitung 15 in
das Zentralrohr 31a ein, wo er über Öffnungen im Zentralrohr 31a die
kreisbogenförmigen
Profilrohre 35 der zweiten, stromabwärtigen Trommelmatrix 30b bis
zum zweiten Zentralrohr 31b durchströmt. Im zweiten Zentralrohr 31b wird
der Treibstoff durch Öffnungen
in die Profilrohre 35 der ersten stromaufwärtigen Trommelmatrix 30a geführt, um schließlich über den
stromaufwärtigen
Abschnitt des Zentralrohrs 31a in die Abströmleitung 16 (s.h. 1)
abzufließen.
Zur Trennung der beiden ab- und zufließenden Treibstoffströme im ersten
Zentralrohr 31a ist im ersten Zentralrohr 31a zwischen
den beiden Trommelmatrizen 30a und 30b eine Trennwand 36 eingesetzt.
Die beiden Enden des zweiten Zentralrohres 31b sind mittels
zweier Abschlußdeckel 37 verschlossen.
Beim Durchströmen
des Treibstoffes durch die Profilrohre 35 nimmt dieser
die Wärme
der die Profilrohre 35 umströmenden Luft auf.
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Eine
weitere alternative Ausführung
eines Wärmetauschers
12 mit
integriertem Rückströmkanal
22 ist
in
5 dargestellt. Bei dieser Ausführung weist der axial durchströmte Wärmetauscher
12 ein zylindrisches
Druckgehäuse
25 auf,
wobei das Druckgehäuse
25 einen
quadratischen Strömungskanal
38 einbeschreibt,
in welchem eine Matrix
20 mit U-förmig gebogenen Profilrohren
35,
wie in der
DE 36 35
548 A1 beschrieben, angeordnet ist. Mit Rücksicht
auf die Verzögerung
der ankommenden Luftströmung
auf die bei der Durchströmung
der Matrix
20 zulässige
Geschwindigkeit, ist die Matrix
20 gegenüber der
Wärmetauscherlängsachse
um den Winkel α schräg gestellt.
Die beiden aus den Profilrohrbügeln
35' gebildeten
Matrixflügel
sind an den Enden der Profilrohrbügel
35' an quer zur Strömungsrichtung
liegende, treibstoffzu- bzw. treibstoffabführende Zentralrohre
31a und
31b angeschlossen
und bilden somit eine ovale Matrix
20. Durch die Neigung
der Matrix
20 ist das treibstoffabführende Zentralrohr
31b gegenüber dem
treibstoffzuführenden
Zentralrohr
31a weiter in stromaufwärtiger Richtung im Wärmetauscher
12 angeordnet.
An den beiden Enden des rechteckigen Strömungskanals
38 ist dieser
mit jeweils einem Querschnittsübergang
39 versehen,
um den quadratischen Strömungsquerschnitt
auf einen kreisrunden überzuführen.
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In
einer Umlenkeinrichtung 40 im runden Bereich des Strömungskanals 38 wird
stromabwärts
der Matrix 20 ein Teilstrom L der Kühlluft K in die zwischen Druckgehäuse 25 und
rechteckigem Strömungskanal 38 gebildeten
vier Rückströmkanäle 22 (s. 6)
umgelenkt, um stromaufwärts
der Matrix 20 der ungekühlten
Kühlluft über einen
ringförmigen Gasmischer 32 beigemischt
zu werden. Aufgrund des zusätzlichen
Gasmischers 32',
welcher bezüglich
der Strömungsrichtung
S stromabwärts
des primären
Gasmischers 32 im oberen Rückströmkanal 22 angeordnet
ist, wird der Matrix 20 im Übergangsbereich zum treibstoffabführenden
Zentralrohr 31b gezielt Luft aus dem Teilluftstrom L zugeführt. Hierdurch
lassen sich überhöhte Werkstofftemperaturen der
Profilrohrbügel
in ihrem Anschlußbereich
zum Zentralrohr 31b vermeiden. In 6 ist der
zusätzliche
Gasmischer 32' außermittig,
in die Richtung des vom Wärmetauscher 12 abströmenden Treibstoffes versetzt
angeordnet dargestellt. Der Luftaustritt des zusätzlichen Gasmischers 32' ragt in den
Luftstrom K und weist etwa zum Zentralrohr 31b hin, wodurch
die Profilrohrbügel 35' im Mündungsbereich
zum Zentralrohr 31b mit reduzierter Lufttemperatur beaufschlagt werden.
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Die
Umlenkeinrichtung 40 setzt sich aus einer zum runden Bereich
des Strömungskanals 38 konzentrischen
Luftsammelspirale 42 und einer mit den zylindersegmentförmigen Rückströmkanälen 22 verbundenen
Luftverteilerspirale 43 zusammen. Die mit der Luftsammelspirale 42 über einen
Umlenkbogen 44 verbundene Luftverteilerspirale 43 ist
im runden Strömungskanal 38 zwischen
Matrix 20 und Luftsammelspirale 42 angeordnet.
Zur Luftmengensteuerung des Teilluftstromes L ist im Umlenkbogen 44 ein
Gasgebläse 23 eingesetzt.