EP0199321A1 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP0199321A1
EP0199321A1 EP86105461A EP86105461A EP0199321A1 EP 0199321 A1 EP0199321 A1 EP 0199321A1 EP 86105461 A EP86105461 A EP 86105461A EP 86105461 A EP86105461 A EP 86105461A EP 0199321 A1 EP0199321 A1 EP 0199321A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
matrix
heat exchanger
exchanger according
hot gas
tube
Prior art date
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Granted
Application number
EP86105461A
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English (en)
French (fr)
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EP0199321B1 (de
Inventor
Klaus Dipl.-Ing. Hagemeister
Bernhard Dr. Wöhrl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines GmbH
Original Assignee
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH filed Critical MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Publication of EP0199321A1 publication Critical patent/EP0199321A1/de
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Publication of EP0199321B1 publication Critical patent/EP0199321B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/005—Other auxiliary members within casings, e.g. internal filling means or sealing means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/06—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits having a single U-bend
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/022—Tubular elements of cross-section which is non-circular with multiple channels

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of patent claim 1.
  • the boundary guide wall which by far follows the boundary guide wall is an integral part of the housing carrying the hot gases and is supported directly on the latter by means of the gap between bridging guide wall and matrix pipe brackets.
  • the outer hot gas leak flow gap can be partially sealed, with the simultaneous consequence of an, however, indefinable heat exchange process in the region of the outer pipe bow deflection.
  • a hot gas flow which is guided homogeneously along the outer deflection region of the matrix tube bracket can therefore not be guaranteed.
  • thermally induced differential expansions between the pipe brackets themselves and between the pipe matrix and the housing or the outer boundary guide wall are not taken into account in the present known case.
  • the invention has for its object to eliminate the disadvantages mentioned and to provide a heat exchanger according to the type mentioned, in which the relative movements of the individual profile tubes with each other and between the latter and the hot gas housing structure surrounding the matrix can be controlled and at the same time in particular the arcuate outer profile edge area of the Matrix can be largely included in the heat exchange process without jeopardizing the homogeneity of the hot gas side outflow area at the matrix outlet.
  • the sealing element according to the invention is thus able to compensate for the relative movements of the individual matrix pipe brackets caused by different temperatures, vibrations or elastic deflections, and at the same time consistently shut off the undesired, previously defined hot gas leakage gap, in such a way that the outer marginal one Matrix deflection area can be included in the heat exchange process in the context of the hot gas main flow direction.
  • the heat exchanger illustrated in FIGS. 1 and 2 consists of a first pipe guide designed as a collecting tank 15, a second pipe guide running essentially parallel to it, also designed as a collecting pipe tank 16, and a pipe matrix 1 around which hot gases G can flow, which inlet side for the supply of a Working medium to be heated, for example compressed air (arrow D), is connected to the first collecting container 15 and for discharging the heated compressed air (arrow D ') to the second collecting container 16 on the outlet side.
  • the tube matrix 1 consists of a U-shaped matrix projecting laterally from both collecting containers 15, 16 transversely against the hot gas flow direction G.
  • pipe brackets 2 the outer deflection area of which is surrounded by a boundary guide wall 3, which is connected on the inflow and outflow sides to the wall structure of the hot gas housing.
  • the tube matrix 1 thus consists of a field of spaced adjacent to one another and - viewed as a cross section - nested matrix tube brackets 2 arranged essentially uniformly spatially offset from one another (see also FIG. 11).
  • the two pipe guides for the separate supply of compressed air into the pipe matrix or compressed air discharge from the pipe matrix could also be integrated into a common header pipe, as is known from US Pat. No. 3,746,083.
  • the above-mentioned hot gas partial leakage flow A would have a relatively large excess speed compared to the hot gas main flow G, which could lead to mixed turbulence when it flows back into the main flow G leaving the matrix and thus also to non-uniformities in the heat exchange process.
  • FIG. 4 a embodies the distance of the matrix tube bracket 2 from the housing or from the boundary guide wall 3 in the cold state and b the relevant required distance in the hot state, which has the disadvantages described above Heat exchange process occurs, but on the other hand must be strictly observed, for example To prevent abrasive movements of the matrix on the housing or on the boundary guide wall 3, these abrasive movements e.g. may be the cause of operational matrix vibrations (intermittent driving).
  • said distance a (FIG. 4) must be taken into account structurally in order to be able to ensure operationally induced differential expansions of the matrix tube brackets 2 or always to ensure that the latter can be freely stretched relative to the housing or the boundary guide wall 3.
  • Fig. 5 embodies variable relative movement possibilities for three matrix tube brackets 2, 2 ', 2 "with respect to one another, which are on the one hand in a lateral offset c of the tube bracket 2, on the other hand in an offset d of the tube bracket 2' leading away from the boundary guide wall 3 in the matrix longitudinal direction and, for example, in can express an offset e of the pipe bracket 2 ′′ directed against the boundary guide wall 3 and running in the longitudinal direction of the matrix.
  • the hot gas leak gap (bite gas minimum leak gap b - FIG. 4) located between the outer deflection area of the tubular bracket matrix 1 and the adjacent boundary baffle 3 is intended to solve the problem in question and is illustrated, among other things, by FIGS. 1, 4 and 5 be blocked off at least one flexible, elastic sealing element 17. Because of this Sealing element 17 initially succeeds in keeping the heat losses correspondingly low; In other words, the lossy hot gas leakage component A according to FIG.
  • the hot gas main flow G only experiences in the U-shaped matrix deflection area forced by the sealing element 17, bends laterally swinging flow pattern 6 ', which also has an unobstructed, almost complete flow of hot gas around the matrix tube bracket , for example 2, thus also in the outer edge region of the matrix 1.
  • Another task of the sealing element 17 is to accommodate the different temperature expansions between the tube bundle and the cooled or insulated housing 12, as explained above with reference to FIG. 4.
  • the tube bundles experience relative movements with one another as a result of different temperatures, vibrations or elastic deflections.
  • the sealing element 17 should be able to accommodate these different movements, as they have already been explained previously in FIG. 5.
  • This sealing element 17 (FIG. 3) can partially or essentially enclose the outer deflection region of the tubular bracket matrix 1, as shown, or else completely.
  • the sealing element 17 can be designed in a particularly advantageous embodiment as a flexible mat made of elastic metal felt.
  • the flexible mat adapts to the relative movements of the individual matrix tube brackets 2, 2 ′, 2 ′′, the matrix 1, which are mentioned by way of example in FIG Able to absorb or strongly dampen the vibrations of the relevant matrix tube bracket, ie in the manner of a "vibration damping cushion".
  • the boundary baffle 3 can be lined with thermal insulation 18 at least including the associated hot gas upstream and downstream wall structure of the housing 12 on the side facing the tube matrix 1 or the sealing element 17 in order to prevent this To keep the housing 12 as cool as possible, and thus not to expose any significant thermal expansions due to hot gas.
  • the sealing element 17, as a metal felt mat is to be covered on the side facing away from the tubular bracket matrix 1 by means of a thin sheet 19, which is arranged opposite the boundary guide wall 3 or its insulation 18 while leaving an arcuate gas inflow passage 20 on downstream end is at the same time blocked off by an outwardly bent section of the sheet 19 as a resilient seal 21 by this section being intended to be fixed to the housing 12 or to the boundary guide wall 3, for example by means of a screw connection 22.
  • the dashed contour of the sheet 19 represents the thermal compensation according to the invention as a result of this spring-elastic seal-shut-off combination.
  • Fig. 9 illustrates further so that the Gaszuströmpassage 20 for branching off a part of the main flow in - to be directionally against the matrix 1 directed hot gases G formed.
  • a foil can also be provided instead of the sheet 19 (FIG. 11).
  • individual sections of the sheet 19 or the film can also be connected to the metal felt mat by soldering, folding or in a clamp-like manner.
  • the cover plate 19 or the film is provided with openings 23, 24, 25 which communicate with the gas inflow passage 20 and via which (23, 24, 25) the the outer deflection region of the tubular bracket matrix 1 can be flowed about in the transverse direction via the sealing element 17 designed as a metal felt mat.
  • the sealing element 17 designed as a metal felt mat.
  • the arrows F indicate the hot gas flow from the gas inflow passage 20, through the metal felt mat, over the outer edge of the matrix tube bracket 2.
  • the sealing element 17 designed as a metal-felt mat has at the contact zone for the directly adjacent pipe bracket 2 of the matrix deflection area in accordance with the upstream profile contour according to pre-profiled formations 26.
  • the openings 23, 24, 25 can be dimensioned and distributed locally differently in such a way that a differential gas pressure which is always present during operation is a load-dependent, sealing contact pressure of a sheet 19 or a Foil coated metal felt mat exerts against the adjacent pipe bends 2 of the pipe bracket matrix 1.
  • the felt mat with the perforated outer sheet / foil for the hot gas offers a resistance which can be adjusted by varying the opening area, the pressure difference which arises exerts a contact pressure in the direction of the pipe bend.
  • This contact force increases the sealing effect.
  • the contact pressure depends on the load.
  • this heat exchanger e.g. In a vehicle gas turbine, this has the advantage that when the turbine is idling and the vehicle is at a standstill, the contact pressure is low (there are no external forces that lead to relative movements of the tube bundle).
  • the sealing effect is increased and the tube bundle stabilized by increased contact pressure as a result of higher differential pressure ⁇ p at higher engine speed.
  • the increased contact pressure of e.g. a sealing element 17 designed as a metal felt mat results from the pressure difference ⁇ p between the hot gas back pressure which forms on the one side in the gas inflow passage 20 (FIG. 9) as the cause of the preselected throttling effect via the openings 23, 24, 25 (FIG. 7) p, which exceeds the hot gas pressure p 'in the matrix, behind the metal felt mat (p> pl).
  • the separate compressed air ducts 15, 16 are each formed by separate manifolds 29, 30.
  • a single header pipe 31 can also be designed to receive two separate compressed air ducts 15, 16, as is illustrated in the case of a heat exchanger according to FIG. 10, the mode of operation of which is basically identical to that of FIG. 1 with regard to the other reference numerals 1, D, D ', G .
  • the individual pipe clips 2 are optimized preferably aerodynamically of the matrix 1, lan in cross-section - zetten- or lens-shaped hollow section bodies each two by a central transverse web 7 'separate internal compressed air ducts 8' , 9 ', which have a triangular contour which tapers in the sense of the upstream and downstream ends.
  • the individual profile rows of the matrix pipe brackets 2 interlock spatially, ensuring the permissible hot gas blockage.

Landscapes

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Abstract

Es wird ein Wärmetauscher mit rohrbündelartiger, von Heißgas umströmter Kreuz-Gegenstrom-Matrix (1) angegeben, die ein- und austrittsseitig mit voneinander getrennten Druckluftführungen (15, 16) kommuniziert, wobei die Matrix (1) aus im wesentlichen U-förmigen Matrixrohrbügeln (2) besteht, deren äußerer Umlenkungsbereich von einer Berandungsleitwand (3) eines Gehäuses (12) für die Heißgasführung umgeben ist. Dabei soll u.a. ein zwischen dem äußeren Umlenkungsbereich der Rohrbügelmatrix (1) und der daran angrenzenden Berandungsleitwand (3) befindlicher Heißgasleckspalt durch mindestens ein flexibles, elastisches Dichtelement (17) abgesperrt sein, um den Wärmetauschprozeß zu optimieren und dabei zugleich betriebsbedingte Differenzbewegungen der Rohrbügel (2) untereinander sowie zwischen den letzteren und dem Gehäuse (1) abdichtend und flexibel zu kompensieren.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei einem derartigen, z.B. aus der US-PS 4,475,586 bekannten Wärmetauscher ist es erforderlich, eine Berandungsleitwand im Bereich der Umlenkung der zu U-förmigei Bügeln geformten Rohre anzuordnen. Derartige Berandungen wurden bislang beispielsweise als Blechflügel ausgeführt, die ausschließlich der bogenförmigen außenständigen Kontur der Rohrbügel im Bereich der Umlenkung folgen. Da eine solche Berandung konstruktionsbedingt Bestandteil einer anderen, die Wärmetauscherrohrmatrix ummantelnden Gehäusebaueinheit ist, deren Temperatur- und Dehnungsver- .läufe sich von denen der Wärmetauscherrohrmatrix unterscheiden, erfordert eine derartige Anordnung, um das Prinzip der freien Verschieblichkeit der randständigen Rohrbügel der Matrix nicht zu gefährden, einen dementsprechenden Abstand zwischen dem Blechflügel und der randständigen Reihe von Rohrbügeln der Matrix.
  • Für das eine Arbeitsmedium, also das Heißgas, bewirkt ein solcher Abstand einen verhältnismäßig großen Teilleckfluß.
  • Daraus ergeben sich zwei wesentliche, die Effektivität des Wärmetauschers beeinträchtigende Nachteile:
    • Es ist dies erstens die Tatsache, daß diese Heißgasleckmenge nicht am Wärmetauschprozeß teilnimmt, und zweitens, daß sie am Austritt aus dem Spalt mit verhältnismäßig großer Strömungsgeschwindigkeit in das natürliche Heißgasabströmgebiet stromab der Profilrohrmatrix "schießt", wodurch Mischturbulenzen in diesem Abströmgebiet, und damit also verhältnismäßig starke Strömungsungleichförmigkeiten entstehen, die zusammen mit dem ersten Nachteilsfaktor zu einer verhältnismäßig starken Verringerung des Wärmetauschgrades führen.
  • Bei einem weiteren aus der US-PS 3,746,083 bekannten Wärmetauscher ist die der Matrixumlenkung.mit Abstand folgende Berandungsleitwand fester Bestandteil des die Heißgase führenden Gehäuses und stützt sich dabei unmittelbar mittels den Spalt zwischen Berandungsleitwand und Matrixrohrbügeln überbrückender Druckstücke an den letzteren ab. Hierdurch kann zwar der äußere Heißgasleckflußspalt teilweise abgedichtet werden mit der gleichzeitigen Folge eines jedoch undefinierbaren Wärmeaustauschprozesses im Bereich der äußeren Rohrbügelumlenkung. Eine homogen entlang des äußeren Umlenkbereiches der Matrixrohrbügel geführte Heißgasströmung kann somit'nicht gewährleistet sein. Insbesondere im Umlenkungsbereich hervorgerufene, thermisch bedingte Differenzdehnungen zwischen den Rohrbügeln selbst sowie zwischen Rohrmatrix und Gehäuse bzw. äußerer Berandungsleitwand finden im vorliegenden bekannten Fall keinerlei Berücksichtigung.
  • Im Rahmen des zuvor erörterten Standes der Technik finden ferner betriebsbedingte Relativbewegungen der Matrixrohrbündel als Ursache von Rohrschwingungen und -Auslenkungen keinerlei Berücksichtigung. Darüber hinaus sind zu Bekanntem keinerlei Mittel aufgezeigt, die im Rahmen des besprochenen Problemkreises in der Lage wären, unter gleichzeitiger Kompensation der genannten Relativbewegungen der Rohrmatrix deren Schwingungen zu dämpfen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile zu beseitigen und einen Wärmetauscher nach der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Relativbewegungen der einzelnen Profilrohre untereinander sowie zwischen den letzteren und der die Matrix umschließenden Heißgasgehäusestruktur beherrschbar und zugleich insbesondere der bogenförmige äußere Profilrandbereich der Matrix weitestgehend mit in den Wärmetauschprozeß einbeziehbar ist, ohne die Homogenität des heißgasseitigen Abströmgebietes am Matrixaustritt zu gefährden.
  • Die gestellte Aufgabe ist gemäß den Merkmalen des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Dichtelement ist somit in der Lage, die als Ursache von unterschiedlichen Temperaturen, Schwingungen oder elastischen Auslenkungen verursachten Relativbewegungen der einzelnen Matrix-Rohrbügel zu kompensieren und zugleich dabei den unerwünschten, zuvor definierten Heißgasleckspalt konsequent abzusperren, und zwar so, daß auch der äußere randständige Matrixumlenkungsbereich im Rahmen der Heißgashauptdurchströmrichtung in den Wärmetauschprozeß einbeziehbar ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 15. Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:
    • Fig. 1 eine schematische wiedergegebene Grundausführung des Wärmetauschers, worin eine Stirnseite der Profilrohrmatrix nebst Rohrführungen im Wege einergänzlich geschnittenen Gehäusestruktur sowie die Nachteile zu Bekanntem verdeutlicht sind,
    • Fig. 2 die Profilrohrmatrix nach Fig. 1 in schematischer perspektivischer Ansicht im Bereich der Umlenkung unter Weglassung der Berandungsleitwand,
    • Fig. 3 eine im Gegensatz zu Fig. 1 seitlich von zwei benachbarten Sammelrohren U-förmig auskragende Rohrmatrix unter Zuordnung des Erfindungsgegehstandes im Wege eines Teillängsschnitts der - Gehäuse- und Berandungsleitwandstruktur,
    • Fig. 4 ein beipielsweise das thermisch bedingte Ausdehnungskompensationserfordernis der Rohrmatrix unter Bezug auf die Berandungsleitwand verkörperndes Schema zum Wärmetauscher nach Fig. 3,
    • Fig. 5 ein die Relativbewegung einzelner Rohrbögen verdeutlichendes Schema gemäß Schnitt A-A der Fig. 4,
    • Fig. 6 eine Metall-Filz-Matten-Matrix-Querschnittssektion, worin die Metall-Filz-Matte mit Ausnehmungen für anströmseitige Matrixprofilenden ausgestaltet ist,
    • Fig. 7 einen Abschnitt der blechbeschichteten Metall- Filz-Matte gemäß Blickrichtung C der Fig. 6,
    • Fig. 8 einen Schnitt gemäß D-D der Fig. 7 unter Zu- ' ordnung der Matrix nebst Sammelrohren nach Fig. 6, insbesondere aber auch Fig. 3,
    • Fig. 9 einen Gehäuse-Dichtungs-Teillängsschnitt im Berandungsleitwandbereich mit stromabwärtig federelastisch abgedichteter Gaszuströmpassage zur . Gasteilstromablenkung über die Metall-Filz-Matte sowie, im Sinne eines Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscherprozesses, über die der Matte zumindest unmittelbar benachbarte Matrix-Rohrbogen-Sektion,
    • Fig. 10 eine perspektivisch dargestellte Wärmetauscheralternative zu den Fig. 1,3,8 und 9 und
    • Fig. 11 eine für die genannten Wärmetauscherbeispiele geeignete Matrix-Profilquerschnitts-Sektion, die sich aus einem der Heißgashauptströmungsrichtung G folgenden Matrixschnitt ergibt.
  • Der in Fig. 1 und 2 veranschaulichte Wärmetauscher besteht aus einer ersten, als Sammelbehälter 15 ausgebildeten Rohrführung, einer im wesentlichen parallel dazu verlaufenden, ebenfalls als Sammelrohrbehälter 16 ausgebildeten zweiten Rohrführung und aus einer von Heißgasen G umströmbaren Rohrmatrix 1, die eintrittsseitig für die Zuführung eines aufzuheizenden Arbeitsmediums, z.B. Druckluft (Pfeil D) an den ersten Sammelbehälter 15 und für die Abführung der aufgeheizten Druckluft (Pfeil D') austrittsseitig an den zweiten Sammelbehälter 16 angeschlossen ist. Die Rohrmatrix 1 besteht aus seitlich von beiden Sammelbehältern 15, 16 quer gegen die Heißgasströmungsrichtung G auskragenden, U-förmigen Matrixrohrbügeln 2, deren äußerer Umlenkungsbereich von einer Berandungsleitwand 3 umgeben ist, die zu- und abströmseitig mit der Wandstruktur des Heißgasgehäuses verbunden ist.
  • Die Rohrmatrix 1 besteht also aus einem Feld von mit Abstand nebeneinander sowie - als Querschnitt gesehen - verschachtelt im wesentlichen gleichförmig räumlich zueinander versetzt angeordneten Matrixrohrbügeln 2 (s.h. auch Fig. 11).
  • Die beiden Rohrführungen für die voneinander getrennte Druckluftzufuhr in die Rohrmatrix bzw. Druckluftabführung aus der Rohrmatrix könnten auch in ein gemeinsames Sammelrohr integriert sein, wie dies aus der US-PS 3,746,083 bekannt ist.
  • Wie auch anhand der Fig. 4 verdeutlicht, muß zwischen der Berandungsleitwand 3 und den unmittelbar benachbarten Sektionen der Matrixrohrbügel 2 im äußeren Matrixumlenkungsbereich ein verhältnismäßig großer Abstand eingehalten werden, der zugleich, gemäß Fig. 1 wiederum einen verhältnismäßig großen Heißgasteilleckfluß A erzwingen würde, der wiederum einen verminderten Wärmetauschgrad nach sich ziehen würde, weil der Heißgasteilleckfluß A, losgelöst von Heißgashauptstrom G, im wesentlichen nur den genannten Abstandsspalt durchströmt, nicht jedoch die im äußeren Randbereich befindlichen Matrixprofilbögen umströmt. Zugleich würde dem genannten Heißgasteilleckfluß A gegenüber dem Heißgashauptstrom G ein verhältnismäßig großer Geschwindigkeits- überschuß zuteil, der zu Mischturbulenzen beim Wiedereinströmen in den die Matrix verlassenden Hauptstrom G und damit ebenfalls zu Ungleichförmigkeiten des Wärmetauschprozesses führen könnte.
  • Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesentlichen unveränderte Bauteile gegenüber Fig. 1 verkörpert in Fig. 4 a den Abstand der Matrixrohrbügel 2 zum Gehäuse bzw. zur Berandungsleitwand 3 in kaltem Zustand und b den betreffenden erforderlichen Abstand im heißen Zustand, der die zuvor beschriebenen Nachteile beim Wärmetauschprozeß zeitigt, andererseits aber unbedingt eingehalten werden muß, um z.B. Scheuerbewegungen der Matrix am Gehäuse bzw. an der Berandungsleitwand 3 zu verhindern, wobei diese Scheuerbewegungen z.B. ursächlich für betriebsbedingte Matrixschwingungen sein können (stoßweise Fahrbetrieb).
  • Insbesondere muß besagter Abstand a (Fig. 4) baulich berücksichtigt werden, um betrieblich bedingte Differenzdehnungen der Matrixrohrbügel 2 bzw. stets eine freie Dehnbarkeit der letzteren gegenüber dem Gehäuse bzw. der Berandungsleitwand 3 sicherstellen zu können.
  • Fig. 5 verkörpert variable Relativbewegungsmöglichkeitun dreier Matrixrohrbügel 2, 2', 2" untereinander, die sich zum einen in einem seitlichen Versatz c des Rohrbügels 2, zum anderen in einem in Matrixlängsrichtung von der Berandungsleitwand 3 wegführenden Versatz d des Rohrbügels 2' sowie z.B. in einem gegen die Berandungsleitwand 3 gerichteten, in Matrixlängsrichtung verlaufenden Versatz e des Rohrbügels 2" äußern können.
  • Zur Lösung des in Rede stehenden und unter anderem über die Fig. 1, 4 und 5 verdeutlichten Problems soll gemäß Fig. 3 der zwischen dem äußeren Umlenkungsbereich der Rohrbügelmatrix 1 und der daran angrenzenden Berandungsleitwand 3 befindliche Heißgasleckspalt (Beißgasmindestleckspalt b - Fig. 4) durch mindestens ein flexibles, elastisches Dichtelement 17 abgesperrt sein. Durch dieses Dichtelement 17 gelingt es zunächst, die Wärmeverluste entsprechend gering zu halten; mit anderen Worten wird der verlustreiche Heißgasleckstromanteil A gemäß Fig. 1 vermieden, d.h., der Heißgashauptstrom G erfährt lediglich im U-förmigen Matrixumlenkbereich einen durch das genannte Dichtelement 17 erzwungenen, leieht seitlich auspendelnden Stromungsverlauf 6' der zugieich eine unbehinderte, nahezu vollständige Heißgasumströmung des Matrixrohrbügels, z.B. 2, also auch im äußeren Randbereich der Matrix 1 ermöglicht.
  • Eine weitere Aufgabe des Dichtungselementes 17 ist es, die unterschiedlichen Temperaturdehnungen zwischen Rohrbündel und gekühltem, bzw. isoliertem Gehäuse 12 aufzunehmen Wie zuvor anhand der Fig. 4 erläutert. Die Rohrbündel erfahren untereinander Relativbewegungen infolge unterschiedlicher Temperaturen, Schwingungen oder elastischer Auslenkungen. Das Dichtungselement 17 soll diese unterschiedlichen Bewegungen aufnehmen können, wie sie im übrigen auch schon in Fig. 5 zuvor erläutert worden sind.
  • Dabei kann dieses Dichtelement 17 (Fig. 3) den äußeren Umlenkungsbereich der Rohrbügelmatrix 1 teilweise bzw. im wesentlichen - wie dargestellt - oder aber auch gänzlich umschließen.
  • Gemäß Fig.6 oder 8 oder 9 kann das Dichtelement 17 in besonders vorteilhafter Ausgestaltung als eine flexible, aus elastischem Metallfilz gefertigte Matte ausgebildet seih.
  • Die flexible Matte paßt sich den zu Fig. 5 beispielhaft genannten Relativbewegungen der einzelnen Matrixrohr- bügel 2, 2', 2", der Matrix 1 an und ist auch ih der Lage, die Schwingungen der betreffenden Matrixrohrbügel aufzunehmen bzw. stark zu dämpfen, also in der Art eines "Schwingungsdämpfungspolsters".
  • Wie ferner z.B. aus Fig. 3,4,5 oder 9 ersichtlich, kann die Berandungsleitwand 3 zumindest einschließlich zugehöriger heißgasan- und -abströmseitiger Wandstruktur des Gehäuses 12 auf der der Rohrmatrix 1 bzw. dem Dichtelement 17 zugekehrten Seite mit einer thermischen Isolierung 18 ausgekleidet sein, um das Gehäuse 12 möglichst kühl zu halten, und damit also keinen nennenswerten, heißgasbedingten thermischen Dehnungen auszusetzen.
  • Gemäß Fig. 9 soll das Dichtelement 17, als Metallfilzmatte, auf der von der Rohrbügelmatrix 1 abgewandten.Seite mittels eines dünnen Bleches 19 abgedeckt sein, das gegenüber der Berandungsleitwand 3 bzw. deren Isolierung 18 unter Belassung einer bogenförmigen Gaszuströmpassage 20 angeordnet ist, die am stromabwärtigen Ende durch eine nach außen abgebogene Sektion des Bleches 19 als federnde Dichtung 21 zugleich abgesperrt ist, indem diese Sektion am Gehäuse 12 bzw. an der Berandungsleitwand 3 fixiert sein soll, z.B. im Wege einer Schraubverbindung 22. Dabei verkörpert die gestrichelte wiedergegebene Kontur des Bleches 19 die erfindungsgemäße thermische Kompensation als Folge dieser federelastischen Dichtungs-Absperr-Kombination.
  • Fig. 9 verdeutlicht also ferner, das die Gaszuströmpassage 20 zur Abzweigung eines Teils der in Hauptströmungs- richtung gegen die Matrix 1 gerichteten Heißgase G ausgebildet sein soll.
  • Erfindungsgemäß kann aber auch anstelle des Bleches 19 (Fig. 11) eine Folie vorgesehen sein.
  • Nicht weiter dargestellt, können ferner einzelne Sektionen des Bleches 19 oder der Folie durch Löten, Falzen oder klammerartig mit der Metall-Filz-Matte verbunden sein.
  • Im Hinblick auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 ist es ferner besonders vorteilhaft, wenn das Abdeckblech 19 oder die Folie mit Durchbrüchen 23,24,25 versehen ist, die mit der Gaszuströmpassage 20 kommunizieren und über welche (23,24,25) die im äußeren Umlenkungsbereich befindliche Rohrbügelmatrix 1 über das als Metall-Filz-Matte ausgebildete Dichtelement 17 in Querrichtung umströmbar ist. Auf diese Weise kann also auch im äußeren Matrixumlenkbereich ein Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozeß ermöglicht werden. Die Pfeile F kennzeichnen den Heißgasfluß aus der Gaszuströmpassage 20, durch die Metall-Filz-Matte hindurch, über den äußeren randständigen Matrixrohrbügel 2 hinweg.
  • Gemäß Fig. 6 weist das als Metall-Filz-Matte ausgebildete Dichtelement 17 an der Kontaktzone für die unmittelbar benachbarten Rohrbügel 2 des Matrixumlenkbereiches entsprechend der anströmseitigen Profilkontur gemäß vorprofilierte Ausformungen 26 auf.
  • Auf diese Weise kann eine weitere Stabilisierung der Profilrohrmatrix, insbesondere im äußeren randständigen Umlenkungsbereich, erreicht werden. Ferner kann hierdurch die Abdichtwirkung verbessert werden.
  • Wie ferner anhand der Fig. 7 verdeutlicht, können die Durchbrüche 23,24,25 in der Weise örtlich unterschiedlich dimensioniert und verteilt sein, daß ein im Betrieb stets vorhandener Differenzgasdruck eine lastabhängige, abdichtende Anpreßkraft der von einem Blech 19 oder einer Folie ummantelten Metall-Filz-Matte gegen die daran angrenzenden Rohrbögen 2 der Rohrbügelmatrix 1 ausübt.
  • Da die Filzmatte mit dem durchbrochenen äußeren Blech/ Folie für das Heißgas einen durch Variation der Durchbruchsfläche anpaßbaren Widerstand bietet, übt die dabei entstehende Druckdifferenz eine Anpreßkraft in Richtung Rohrbogen aus. Diese Anpreßkraft erhöht die Dichtwirkung. Die Anpreßkraft ist dabei lastabhängig. Beim Einsatz dieses Wärmetauschers, z.B. in einer Fahrzeuggasturbine, hat dies den Vorteil, daß bei Leerlauf der Turbine und bei Stillstand des Fahrzeugs die Anpreßkraft gering ist (es treten dabei keine äußeren Kräfte auf, die zu Relativbewegungen der Rohrbündel führen). Im Fahrbetrieb, wo Stöße und Schwingungen die Rohrbündel auslenken können, wird durch verstärkte Anpreßkraft infolge höheren Differenzdruckes Δp bei höherer Triebwerksdrehzahl die Dichtwirkung erhöht und das Rohrbündel stabilisiert.
  • Im Fahrbetrieb ergibt sich also ein erhöhter Gesamtmassendurchsatz durch das Gasturbinentriebwerk. Die dabei erhöhte Anpresskraft des z.B. als Metall-Filz-Matte ausgebildeten Dichtelements 17 resultiert aus der Druckdifferenz Δp zwischen dem auf der einen Seite in der Gaszuströmpassage 20 (Fig. 9) sich als Ursache der vorgewählten Drosselwirkung über die Durchbrüche 23, 24, 25 (Fig. 7) ausbildenden Heißgasstaudruck p, der den Heißgasdruck p' in der Matrix, hinter der Metall-Filz-Matte, übersteigt (p> pl).
  • In sinngemäßer Anlehnung an Fig. 9 sind auch in Fig. 8 die Heißgashauptströmungsrichtung mit G, die davon abgespaltenen, das als Metall-Filz-Matte ausgebildete Dichtelement 17 durchströmenden Heißgasstromanteile mit F bezeichnet.
  • Bei den Ausführungsbeispielen, z.B. nach Fig. 3, 8 und 9, sind die voneinander getrennten Druckluftführungen15, 16 jeweils durch separate Sammelrohre 29, 30 gebildet. Stattdessen kann z.B. auch ein einzelnes Sammelrohr 31 zur Aufnahme von beiden getrennten Druckluftführungen 15, 16 ausgebildet sein, wie dies bei einem Wärmetauscher nach Fig. 10 verdeutlicht ist, dessen Wirkungsweise grundsätzlicht hinsichtlich der übrigen Bezugszeichen 1, D, D', G mit Fig. 1 identisch ist.
  • Wie ferner aus dem.Matrixquerschnitt nach Fig. 11 entnehmbar, sollen die einzelnen Rohrbügel 2 der Matrix 1 vorzugsweise aerodynamisch optimierte, im Querschnitt lan- zetten- oder linsenförmige Hohlprofilkörper sein, die jeweils zwei durch einen mittleren Quersteg 7' voneinander getrennte innere Druckluftkanäle 8', 9' aufweisen, die eine dreieckförmige, im Sinne der an- und abströmseitigen Enden zugespitzt auslaufende Konturierung aufweisen.
  • Gemäß dem Matrixfeld nach Fig. 11 greifen dabei die einzelnen Profilreihen der Matrixrohrbügel 2 unter Gewährleistung der zulässigen HeiBgasversperrung räumlich verschachtelt ineinander.

Claims (13)

1. Wärmetauscher mit rohrbündelartiger, von Heißgas umströmter Kreuz-Gegenstrom-Matrix, die ein- und austrittsseitig mit voneinander getrennten Druckluftführungen kommuniziert, wobei die Matrix aus im wesentlichen U-förmigen Matrixrohrbügeln besteht, deren äußerer Umlenkungsbereich von einer Berandungsleitwand eines Gehäuses für die Heißgasführung umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen dem äußeren Umlenkungsbereich der Rohrbügelmatrix (1) und der daran angrenzenden Berandungsleitwand (3) befindlicher Heißgasleckspalt durch mindestens ein flexibles, elastisches Dichtelement (17) abgesperrt ist.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (17) den äußeren Umlenkungsbereich der Rohrbügelmatrix (1) teilweise oder gänzlich umschließt.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (17) eine flexible, aus elastischem Metallfilz gefertigte Matte ist.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berandungsleitwand (3) zumindest einschließlich zugehöriger heißgasan- und abströmseitiger Wandstrukturen des Gehäuses (12) auf der der Rohrbügelmatrix (1) bzw. dem Dichtelement (17) zugekehrten Seite mit einer thermischen Isolierung (18) ausgekleidet ist.
5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfilzmatte auf der von der Rohrbügelmatrix (1) abgewandten Seite mittels eines dünnen Bleches (19) abgedeckt ist, das gegenüber der Berandungsleitwand (3) bzw. deren Isolierung (18) unter Belassung einer bogenförmigen Gaszuströmpassage (20) angeordnet ist, die am stromabwärtigen Ende durch eine nach außen abgebogene Sektion des Bleches (19) als federnde Dichtung (22) zugleich abgesperrt ist, indem diese Sektion am Gehäuse (12) bzw. an der Berandungsleitwand (3) fixiert ist.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Bleches eine Folie vorgesehen ist.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Sektionen des Bleches (19) oder der Folie durch Löten, Falzen oder klammerartig mit der Metall- Filz-Matte verbunden sind.
8. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckblech (19) oder die Folie mit Durchbrüchen (23,24,25) versehen ist, die mit der Gaszuströmpassage (20) kommunizieren und mit denen auch die im äußeren Umlenkungsbereich befindliche Rohrbügelmatrix (1) über die Metall- Filz-Matte in Querrichtung (Kreuz-Gegenstrom) umströmbar ist.
9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (23,24,25) in der Weise örtlich unterschidlich dimensioniert und verteilt sind, daß ein im Betrieb stets vorhandener Differenzgasdruck eine lastabhängige, ab- dichtende Anpreßkraft der von einem Blech (19) oder einer Folie ummantelten Metall-Filz-Matte gegen die daran angrenzenden Rohrbögen der Rohrbügelmatrix (1) ausübt.
10. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall- Filz-Matte an der Kontaktzone für die unmittelbar benachbarten Rohrbügel (2) des Matrixumlenkbereiches entsprechend der anströmseitigen Profilkontur gemäß vorprofilierte Ausformungen (26) aufweist.
11. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuströmpassage (20) zur Abzweigung eines Teils der in Hauptströmungsrichtung gegen die Matrix (1) gerichteten Heißgase (G) ausgebildet ist.
12. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander getrennten Druckluftführungen (15,16) in ein gemeinsames Sammelrohr (31) integriert oder jeweils von einem Einzelsammelrohr (29,30) gebildet sind.
13. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rohrbügel (2) der Matrix aerodynamisch optimierte, im Querschnitt lanzetten- oder linsenförmige Hohlprofilkörper sind, die jeweils zwei durch einen mittleren Quersteg (7') voneinander getrennte innere Druckluftkanäle (8'o9') aufweisen, die eine dreieckförmige, im Sinne der an- und abströmseitigen Enden zugespitzt auslaufende Konturierung aufweisen.
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