DE4234006C2 - Profilrohr für Wärmetauscher - Google Patents
Profilrohr für WärmetauscherInfo
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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.
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