DE4234006C2 - Profilrohr für Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Matrix für Wärmetauscher mit reihenweise angeordneten Profilrohren, die einen sich in Rohrlängsrichtung erstrecken­ den Kanal und eine symmetrische, tropfenprofilförmige Außenkontur mit einer scharfen Hinterkante und einer stumpfen Vorderkante auf­ weisen, wobei die Hinterkanten der Profilrohre gleicher Profilrohr­ reihe in die gleiche Richtung weisen und die Sehnenebenen der gestaffelt angeordneten Profilrohre parallel zueinander verlaufen.

Für Rohrwärmetauscher ist aufgrund des weiten Einsatzspektrums eine Vielzahl von Profilrohren bekannt. So werden Rohrwärmetauscher, deren Matrix sich aus kreisrunden Profilrohren zusammensetzt, in zahlrei­ chen Anwendungen, wie beispielsweise in der Verfahrenstechnik oder im Heizungsbau eingesetzt. Kreisrunde Profilrohre zeichnen sich durch geringe Herstellungskosten und hohe Druckbeständigkeit bei Beauf­ schlagung mit Innendruck aus. Werden jedoch Matrizen mit kreisrunden Profilrohren mit hoher Geschwindigkeit umströmt, führt dies zu uner­ wünscht hohen Druckverlusten und Turbulenzen im umströmenden Fluid. Diese Turbulenzen können die Rohre der Matrix zu Schwingungen an­ regen, die die Dauerfestigkeit der Matrix und deren Wirksamkeit ge­ fährden. Diese Umstände führten zu strömungsmechanisch günstiger ausgebildeten lanzettförmigen oder ovalen Profilrohren, wie sie in der DE 33 27 660 A1 oder EP 0 306 899 B1 bzw. in der DE 36 10 618 A1 offen­ bart sind. Solche Profilrohre sind inzwischen mittels Biegeumformver­ fahren kostengünstig herstellbar, wodurch deren Verwendung in Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschern mit U-förmig gebogenen Profilrohren, beispielsweise gemäß der DE 36 10 618 A1 erfolgversprechende Anwen­ dungsmöglichkeiten auch in der Luft- und Raumfahrt ergeben. Hierbei sei an kreisprozeßoptimierende Verwendungen bei Gasturbinen und Die­ selmotoren von Flug- und Fahrzeugantrieben sowie von stationären Anlagen gedacht. Stehen lanzett-, ellipsenförmige oder ovale Pro­ filrohre unter hohem Innendruck, zeigen sich schnell deren Einsatz­ grenzen, da der hohe Druck zum Aufblähen und im ungünstigsten Fall zur Leckage führt. Aus der GB 468 980 ist eine gestaffelte Anordnung tropfenprofilförmiger Profilrohre in einer Wärmetauscher-Matrix be­ kannt geworden, wobei die strömungsgünstig geformten Profilrohre mit ihrer scharfen Kante entweder in oder gegen die Strömungsrichtung ausgerichtet sein können.

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Matrix hoher Durchlässigkeit für Profilrohrwärmetauscher anzugeben, die Schwingungsanregungen der Profilrohre weitgehend vermeidet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Profilrohre reihenweise wechselnd in bzw. entgegen der Anströmrich­ tung der Matrix ausgerichtet sind und die Abstände a₁, a₂ der Profilrohrreihen voneinander reihenweise wechseln.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Profilrohre ergibt eine kompakte Matrix bei niedrigem spezifischem Gewicht. Aufgrund der günstigen Tropfenkontur der Profilrohre und deren erfindungsgemäße Anordnung innerhalb der Matrix ergeben sich nur geringe Druckverluste bei der Profilumströmung. Die angeströmte Frontfläche der Matrix kann daher klein gehalten werden. Dies kommt der Anwendung bei Fahrzeug- und Flugantrieben mit beengten Platzverhältnissen zugute.

Durch die reihenweise wechselnde Orientierung der Profilrohrreihen bezüglich der Anströmrichtung, bei der die stumpfen Vorderkanten der Profilrohre reihenweise ihre Ausrichtung in bzw. entgegen der Anströmrichtung wechseln, kann eine solche Matrix bezüglich ihrer Anströmrichtung wechselseitig in einen Wärmetauscher ein­ gesetzt werden, ohne dabei die strömungsmechanische Güte des Wärmetauschers zu verschlechtern. Durch ein solches ein- oder mehrmaliges Wenden der Matrix kann deren Standzeit erheblich verlängert werden.

Vorzugsweise sind die Profilrohrreihen gleichmäßig gestaffelt, d. h., Profilrohrrei­ hen sind um eine halbe Zwischenraumhöhe gegenüber der angrenzenden Profilrohr­ reihe in Reihenrichtung versetzt angeordnet. Die Zwischenraumhöhe ergibt sich aus dem seitlichen Abstand von Profilrohren einer gemeinsamen Profilrohrreihe. Die Profilrohre der angrenzenden Profilrohrreihen können in die Zwischenräume der angrenzenden Profilrohrreihen hineinragen oder von diesen in Sehnenrichtung weiter beabstandet sein.

Für die optimale, ungestörte Durchströmung der Matrix gilt es, den durchströmten Kanalquerschnitt zwischen benachbarten Profilrohroberflächen und lotrecht zum Strömungsfaden entlang der Matrixtiefe im wesentlichen konstant zu halten. Hierzu dienen jeweils für sich oder in Kombination die Merkmale der Ansprüche 2 bis 4.

Weitere günstige Gestaltungsformen von Matrizen für die Verwendung in Rohrbü­ gel- oder Trommelwärmetauschern der Kreuz-Gegenstrom-Bauweise ergeben sich aus den Ansprüchen 5 bzw. 6.

Aufgrund der strömungsmechanisch günstigen äußeren Tropfenform wird Strömungswiderstand bei schnell umströmten Matrizen deutlich redu­ ziert, wobei gleichzeitig ablösungsbedinge Turbulenzen, welche für die Schwingungsanregung ursächlich sind, weitgehend vermieden werden. Der kreisförmige Kanalquerschnitt gewährleistet die höchstmögliche Druckfestigkeit und Verformungsfestigkeit. Somit wird auch höchsten Anforderungen an die Leckagesicherheit insbesondere im Hinblick auf die mögliche Verwendung von Wasserstoff zur Durchströmung des Kanals Rechnung getragen. Zudem erlaubt die Tropfenprofilform ein für die Wärmeübertragung günstiges Oberflächen-/Volumenverhältnis.

Um einen möglichst hohen Temperaturgradienten im Bereich eines Temperaturextremwertes am zuvorderst angeströmten Profilabschnitt zu ermöglichen, ist der Kanal in einer alternativen Ausführung gemäß Anspruch 8 in der Nähe dieses Bereiches angeordnet.

Durch die alternative Anordnung des Kanals im Bereich der maximalen Profildicke kann dieser mit größtem Durchmesser ausgeführt werden. Somit kann die größtmögliche Wärmetauschleistung erzielt werden.

Als ein Einsatzfeld mit hohem Optimierungspotential erweisen sich Gasturbinen in Fahrzeugen und stationären Anlagen sowie Luft­ strahlantriebe mit Gasturbinen. Das kühlere Medium durchströmt hierbei zumeist den inneren Kanal des Profilrohres, währenddessen das heiße Gas - z. B. das Turbinenabgas - die Oberfläche der Profil­ rohre durchströmt. Für einen solchen oder ähnlichen Anwendungsfall eignet sich in besonderer Weise ein Profilrohr gemäß Anspruch 12.

Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Profilrohrstückes,

Fig. 2 einen Teilschnitt einer Matrix mit unidirektionaler Aus­ richtung der Profilrohre,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Wärmetauschers mit U-förmigen Profilrohrbögen und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Trommel-Wärmetauschers mit kreisbogenförmigen Profilrohrbögen.

Die Erfindung betrifft ein Profilrohr 1 (gem. Fig. 1) für den Wärme­ tausch zwischen zwei strömenden Fluiden. Zur turbulenzfreien Umströ­ mung weist das Profilrohr 1 einen tragflügelprofilähnlichen Quer­ schnitt auf. Die Außenkontur des Profilrohrs 1 geht somit von einem vorderen Profilabschnitt 2a mit stumpfer Vorderkante 3a in einen hinteren Profilabschnitt 2b mit scharfer Hinterkante 3b über. Das Profil ist vollsymmetrisch, d. h., das Profilrohr 1 ist bezüglich seiner Sehnenebene S spiegelsymmetrisch. Idealerweise wird das Pro­ filrohr 1 parallel zur Sehnenebene S und senkrecht zur Rohrlängsachse L angeströmt, wobei der vordere Profilabschnitt 2a aerodynamisch günstig stromaufwärts liegt. Zur Führung des das Profilrohr 1 durch­ strömenden Fluides erstreckt sich im Inneren des Profilrohres 1 und parallel zur Profilrohrlängsachse L ein kreisrundes Innenrohr 4′. Zur Ausbildung einer symmetrischen Temperaturverteilung liegt die Längs­ achse I des Innenrohrs 4′ in der Sehnenebene S. Zudem ist das Innen­ rohr 4′ mit seiner Längsachse I auf der Profiltiefe mit der maximalen Profildicke Dmax plaziert, wodurch ein Innenrohr 4′ mit größtmögli­ chem Durchmesser realisierbar ist.

Hierzu ist das Innenrohr 4′, bestehend aus einer Metallrohrleit­ fähigkeit, in einem Metallkern 5 eingebettet, welcher wieder­ um von einer dünnen Blechschale 6 umhüllt wird. Um ein Aufblähen des Profilrohrs 1 unter Innendruck weitgehend zu vermeiden, ist die Stärke des Innenrohrs 4 entsprechend dimensioniert. Der Werk­ stoff des Kerns 5 ist ein niedrig schmelzendes Metall oder eine Metallegierung, dessen Schmelztemperatur unterhalb der Betriebs­ temperatur liegt, so daß sich der Kern 5 bei Heißgasumströmung des Profilrohrs 1 verflüssigt. Hierdurch wird ein optimaler Wärmeüber­ gang zwischen den Fluiden erzielt. Alternativ zum niedrig schmelzen­ den Metall kann für den Kernwerkstoff eine Keramik oder eine faser­ verstärkte Keramik eingesetzt werden.

Die Fig. 2 zeigt die Anordnung von Profilrohren in Matrizen 7 für Wärmetauscher. Zur Erläuterung ist ein Teilquerschnitt einer Matrix 7 mit drei Profilrohrreihen 8, 8′, 8′′ gezeigt. Ausgeführte Matrizen können eine beliebige Anzahl von Profilrohr­ reihen 8 aufweisen.

Die Matrix 7 besteht aus einer Vielzahl von Profil­ rohrreihen 8 mit jeweils einer Vielzahl von übereinander im Verti­ kalabstand h gleichmäßig angeordneten Profilrohren 1. Die Sehnen­ ebenen S aller Profilrohre verlaufen parallel zueinander. Die Vorder­ kanten bzw. Hinterkanten der übereinander angeordneten Profilrohre 1 einer gemeinsamen Profilrohrreihe 8 liegen somit in einer gemeinsamen, gedachten Ebene, welche sich senkrecht zu den Sehnenebenen S erstreckt. Die Profilrohre 1 der benachbarten Profilrohrreihe 8′ sind in Sehnenrichtung R und senkrecht dazu versetzt gegenüber den Profilrohren 1 der vorhergehenden Profil­ rohrreihe 8 angeordnet.

Die Vorderkanten der Profilrohre 1 wechseln reihenweise ihre Ausrichtung. D.h., in die Zwischenräume zwischen den hinteren Profilabschnitten 2b einer Profilrohrreihe 8 ragt jeweils ein hinterer Profilabschnitt 2b′ der benachbarten Profilrohrreihe 8′. Entsprechend ragt in die Zwischenräume zwischen den vorderen Profilabschnitten 2a′ der Profilrohrreihen 8′ jeweils ein vorderer Profilabschnitt 2a′′ der nachfolgenden Profilrohrreihe 8′′. Die Profilrohre 1′ sind um den halben Vertikalabstand h/2 versetzt zu den Profilrohren 1 der benachbarten Profilrohrreihe 8 angeordnet. Der Horizontalabstand a₁ bzw. a₂ variiert wie die Aus­ richtung der Profilrohre 1 reihenweise, da der Horizontalabstand a₁ zwischen Profilrohren 1 benachbarter Profilrohrreihen 8, die mit ihren vorderen Profilabschnitten 2a zueinander angeordnet sind, kürzer ist als der Horizontalabstand a₂ zwischen Profilrohren 1 mit hinterer Profilabschnitts-Zuordnung gewählt werden kann. Eine optimale Abstimmung der Abstände gewährleistet möglichst gleich große Strömungsquerschnitte, so daß die Summe der durchströmten Querschnittsfläche Q mit der Ma­ trixtiefe weitgehend konstant bleibt.

Fig. 3 zeigt die Verwendung der zuvor beschriebenen Matrix 7 in einem Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher 9, welcher von einer Heißgasströmung H umströmt wird. Der Wärmetauscher 9 besteht im wesentlichen aus zwei parallel nebeneinander angeordneten Kühlmittel- oder Druckluft­ führungen 10a und 10b, welche als separate Verteiler- bzw. Sammel­ rohre ausgebildet sind, und aus einer Matrix 7 mit zueinander versetzt angeordneten Profilrohren 1. Die Führungen 10a, b sind jeweils an ihrem hinteren Ende verschlossen. Die beidseitig von beiden Führungen 10a, b quer gegen die Heißgasströmung H U-förmig auskragende Matrix 7 besteht aus U-förmig gebogenen Profilrohren 1. Im Betrieb wird auf­ zuheizendes Kühlmittel oder Druckluft in die obere Führung 10a ein­ gespeist, durchströmt dann die Profilrohre 1 quer zur Heißgasströmung A, aus denen sie über die untere Führung 10b im aufgeheizten Zustand einem Verbraucher, z. B. der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerks zugeführt wird.

Ein Querschnitt II-II durch die Matrix 7 entspricht der Darstellung bzw. der Profilrohr-Anordnung gemäß der Fig. 2, wobei die Sehnenebenen S der Profilrohre 1 parallel zur Richtung der Heißgas­ strömung H ausgerichtet sind. Dabei liegt die Sehnenebene S in der Ebene der U-förmig gebogenen Profilrohre 1, wodurch die Hinter- bzw. die Vorderkante 3b bzw. 3a stets in das Bogeninnere weist. Dadurch werden die Profilrohre 1 in ihrem bezüglich der Heißgasströmung H stromaufwärtigen Matrixschenkel 11a hinter- oder vorderkantenseitig angeströmt und im stromabwärtigen Schenkel 11b vorderkanten- bzw. hinterkantenseitig von der Heißgasströmung H angeströmt. Für eine gleichmäßige Durchströmung der Schenkel 11a und 11b erweist sich die wechselseitige Ausrichtung der Profilrohrreihen gemäß Fig. 2 als besonders günstig.

In Fig. 4 ist ein Trommel-Wärmetauscher 9 gezeigt. Dazu sind zwei kreisringförmige Matrizen 7a, b über zwei parallel zueinander angeordnete Kühlmittel- oder Druckluftführungen 10a und 10b zu einem Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher 9 in Serie zusammen geschaltet. Die Profilrohre 1 der Matrix 7a, b sind kreisbogenförmig gebogen und mün­ den an ihren Enden jeweils in einer der diametral gegenüberliegenden Führungen 10a bzw. 10b. Die Matrizen 7a, b bestehen aus versetzt zueinander in Profilrohrreihen 8 angeordneten Profilrohren wie ein Teilschnitt der Fig. 2a oder 2b zeigt. Der axialen Durchströmung H der kreisringförmigen Matrizen 7a, b entsprechend, sind die Profile der Profilrohre 1 in axialer Richtung ausgerichtet, so daß die Seh­ nenflächen S als konzentrische Zylinderflächen darstellbar sind.

Im Betrieb wird der Wärmetauscher 9 vom Kühlmittel oder von der Druckluft wie folgt durchströmt: Das Kühlmittel bzw. die Druck­ luft tritt am bezüglich der Heißgasströmung H stromabwärtigen Ende 12a der ersten Führung 10a in den Wärmetauscher 9 ein, durch­ strömt die Profilrohre der stromabwärtigen Matrix 7b in Umfangs­ richtung, bis zur zweiten Führung 10b. Von dort aus wird das Fluid in die Profilrohre 1 der stromaufwärtigen Matrix 7a ver­ teilt, durchströmt diese in Umfangsrichtung, bis es den Wärme­ tauscher 9 über das stromaufwärtige Ende 12b der ersten Führung 10a im erhitzten Zustand verläßt. Zur Trennung des Fluidstromes in der ersten Führung 10a ist diese an ihrer Stoßstelle zwischen den beiden Matrizen 7a, b mit einem schraffiert dargestellten Deckel 13a abgeteilt. Die zweite Führung 10b ist an ihren beiden Enden jeweils mit einem schraffiert dargestellten Deckel 13b verschlossen.

Die Herstellung von Profilrohren 1 kann erfolgen, indem die äußere Blechschale 6 in Profilform gebogen und an der scharfen Hinter­ kante 3b verschweißt wird. Daraufhin wird das Innenrohr 4′ in das Innere der Schale 6 eingeschoben und mit dieser verschweißt oder verlötet, so daß anschließend der Hohlraum zwischen Innenrohr 4′ und Schale 6 mit einem Keramikpulver wie Al₂O₃, SiC oder TiC ver­ füllt, durch Pressen vorverdichtet und dann der so entstandene Preßling durch Sintern verfestigt wird. Abschließend wird das Profilrohr 1 in die gewünschte Form gebogen.

In einem alternativen Herstellungsverfahren wird das Innere zwischen Blechschale 6 und Innenrohr 4′, welche miteinander gefügt sind, mit einem niedrigschmelzenden Metall ausgegossen. Danach wird das Profilrohr 1 in Form gebogen.

Claims (14)

1. Matrix für Wärmetauscher mit reihenweise angeordneten Profilrohren, die einen sich in Rohrlängsrichtung erstreckenden Kanal und eine symmetrische, tropfenprofilförmige Außenkontur mit einer scharfen Hinterkante und einer stumpfen Vorderkante auf­ weisen, wobei die Hinterkanten der Profilrohre gleicher Profilrohreihe in die gleiche Richtung weisen und die Sehnenebenen der gestaffelt angeordneten Profilrohre par­ allel zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohre (1) reihen­ weise wechselnd in bzw. entgegen der Anströmrichtung der Matrix ausgerichtet sind und die Abstände a₁, a₂ der Profilrohrreihen (8, 8′, 8′′) voneinander reihenweise wechseln.

2. Matrix nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohrreihen (8) gleichmäßig gestaffelt angeordnet sind, wobei die Profilrohre (1) einer Profilrohrreihe (8) auf halber Strecke des parallelen Abstandes h der Sehnenebenen S der benachbarten Profilrohrreihe (8′) angeordnet sind.

3. Matrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die hinteren Profilabschnitte (2b) der Pro­ filrohrreihen (8) in die von der benachbarten Profilrohrreihe (8′) gebildeten Zwischenräume der hinteren Profilabschnitte (2b′) ragen und entsprechend die vorderen Profilabschnitte (2a) in die Zwischenräume der von der benachbarten Profilrohrreihe (8′′) ge­ bildeten Zwischenräume der vorderen Profilabschnitte (2a′′) ragen.

4. Matrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Profilrohrreihen (8, 8′, 8′′) derart in Seh­ nenrichtung R voneinander beabstandet sind, daß die Summe der durchströmten Querschnittsflächen Q zwischen benachbarten Pro­ filrohrwänden über die Tiefe der Matrix (7) im wesentlichen kon­ stant bleibt.

5. Matrix nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohrreihen (8) U-förmig gebogene Profilrohre (1) aufweisen, wobei die Ebenen der Profilrohre (1) jeweils in der Sehnenebene S des entsprechenden Profilrohrs (1) liegen.

6. Matrix nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohrreihen (8) halbkreisförmig gebogene, kon­ zentrische Profilrohre aufweisen, wobei die Sehnenflächen S der Profilrohre (1) in einer entsprechenden konzentrischen Kreis­ zylinderfläche liegen.

7. Matrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle (4) zylindrisch ausgebildet sind.

8. Matrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle (4) jeweils bezüglich der Strömungs­ richtung H im vorderen Profilabschnitt (2a) der Profilrohre (1) angeordnet sind.

9. Matrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Kanäle (4) jeweils im Bereich der maximalen Profil­ dicke der Profilrohre (1) angeordnet sind.

10. Matrix nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kanäle (4) jeweils von einem Innenrohr (4′) gebildet werden, welches von einem tropfenprofilförmigen Mantel umschlossen ist.

11. Matrix nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mäntel jeweils von einer äußeren Schale (6) und einem inneren, das Innen­ rohr (4′) aufnehmenden Kern (5) gebildet werden.

12. Matrix nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Werk­ stoff der Innenrohre (4′) ein Metall hoher Wärmeleitfähigkeit und die Schalen (6) Blechschalen und der Werkstoff der Kerne (5) eine Keramik ist.

13. Profilrohr nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Innenrohre (4′) ein Metall hoher Wärmeleitfähigkeit, und die Schalen (6) Blechschalen sind und die Schmelztemperatur des Kernwerkstoffes innerhalb der Betriebstemperatur liegt.

14. Matrix nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Mäntel eine Keramik oder eine faserverstärkte Keramik ist.