EP0228581A1 - Heat-exchanger - Google Patents

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EP0228581A1
EP0228581A1 EP86116618A EP86116618A EP0228581A1 EP 0228581 A1 EP0228581 A1 EP 0228581A1 EP 86116618 A EP86116618 A EP 86116618A EP 86116618 A EP86116618 A EP 86116618A EP 0228581 A1 EP0228581 A1 EP 0228581A1
Authority
EP
European Patent Office
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deflection
heat exchanger
matrix
profile
exchanger according
Prior art date
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Application number
EP86116618A
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German (de)
French (fr)
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EP0228581B1 (en
Inventor
Klaus Hagemeister
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
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Filing date
Publication date
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Publication of EP0228581A1 publication Critical patent/EP0228581A1/en
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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
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • 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
    • F28D7/08—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 being otherwise bent, e.g. in a serpentine or zig-zag
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • 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
    • F28F9/26—Arrangements for connecting different sections of heat-exchange elements, e.g. of radiators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/26—Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for allowing differential expansion between elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/355—Heat exchange having separate flow passage for two distinct fluids
    • Y10S165/40—Shell enclosed conduit assembly
    • Y10S165/427—Manifold for tube-side fluid, i.e. parallel
    • Y10S165/436—Bent conduit assemblies

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention is based on the object of eliminating the disadvantages presented in relation to the known and of specifying a heat exchanger of the type mentioned which, in particular with regard to the critical arc or deflection area of the matrix, has a comparatively high degree of heat exchange and at the same time a functionally appropriate, reliable mounting and support of the in the direction of the arc or deflection area of the matrix projecting tube ends.
  • the respective plate-shaped chamber can thus be formed from two metal sheets which enclose the rows of tubes of the matrix with their edges at the corresponding points and are connected to one another in a fixed and fluid-tight manner at the other edges of their circumference which are jointly formed.
  • connection points or spacers can, for example, be designed such that they suitably influence the internal flow of the one fluid (compressed air) not only in the sense of a flow deflection but also in the sense of optimizing the heat transfer conditions.
  • the plates do not have to have a straight-walled, smooth surface, but can be provided with corrugations and relief-like structures of the surface, by means of which they are able to react to thermal deformations and distortions in a largely soft and dimensionally stable manner. In a double function, these corrugations and relief structures can also be designed to improve the heat transfer. In order to maintain narrow chamber distances between the two plates as well as between adjacent plates of different layers (hot gas channels), it is further provided within the scope of the invention to have the shape patterns correlate with one another accordingly.
  • Fig. 1 illustrates a profile heat exchanger in cross-counterflow design; this has two manifolds 1, 2 arranged parallel to one another.
  • a profile tube matrix projecting laterally on both sides from the collecting lines 1, 2 is designated by 3.
  • the outer matrix deflection section 4 is designed as a plate heat exchanger.
  • the profile tube matrix 3 shown schematically in FIG. 1 protrudes transversely from the two manifolds 1, 2 against the hot gas flow H.
  • the matrix deflection section 4 consists of plates 6, 7 which form or enclose compressed air deflection chambers 5 and which are preferably firmly and fluid-tightly connected to one another along their outer edges. Connected to the plates 6, 7 with the respective deflection chambers 5 communicating, opposite flow of compressed air D1, D3 profile tube rows 8, 9 of the matrix 3 are connected on the inlet or outlet side.
  • compressed air D to be preheated flows into the manifold 1 on one side, is fed from there to the relevant rows of pipes 8 of the upper matrix block, then deflected via the deflection chambers 5 contained in the matrix deflection section 4 (D 2 ), so that they are now in the opposite direction of flow can flow into the lower matrix block containing the relevant rows of pipes 9 (D 3 ), from which it can then flow unheated into the lower manifold 2, in order to finally be supplied to a suitable consumer, for example the combustion chamber of a gas turbine engine ( D 4 ).
  • a suitable consumer for example the combustion chamber of a gas turbine engine ( D 4 ).
  • the matrix deflection section 4 protrudes against a lateral heat exchanger housing wall 10 which supports the hot gas guide H, H '.
  • the relevant plates 6, 7 are along their outer surfaces - see also e.g. 3 and 4 - flows around from hot gas portions H '.
  • the contours K, K '(FIG. 1) characterize the U-shaped matrix arch end region made of individual profile tubes which is customary in the context of the prior art.
  • a matrix deflection section according to the invention can of course be connected as a plate concept together with relevant housing casing to the section tube matrix sections broken off in the picture on the right.
  • the plates for example 6 ′, each forming the deflection chambers 5, have bevelled end faces 11, 12 on the matrix profile entry or exit side.
  • the adjacent housing wall 10' is curved.
  • the bristles of the brush seals 14, 15 always nestle against the relevant hot gas gaps A (FIG. 1) from the outside sealing end faces or a guide wall 16 connected to the deflection section 4 'or its plates - here 6', 7 '.
  • the individual plates 6 ', 7' are held together accordingly by a frame structure consisting of links 17, 18 (A), which in turn is suspended on the housing wall 10 'to compensate for movement, by means of end-face articulation means 19, 20.
  • FIG. 4 explains, by means of the cut-open plate-chamber section, the form-fitting and fluid-tight gripping possibility and design provided from the local plate bulges 21, 22 of the profile tube rows 8 and 9 of the tube matrix 3 that open locally into the relevant deflection chamber 5.
  • the number of tubes in one profile tube row 8 is here, for example, greater than the number of tubes in the other profile row 9 through which compressed air flows in the opposite direction D 3 .
  • FIG. 5 embodies a deflection chamber configuration in which primarily at discrete locations between two adjacent plates 6, 7 (Fig. 1, 3 or 4) defining the chamber flow cross section, designed as deflection spacers, for example pin 23 or baffles 24 or straight guide elements 25 are provided.
  • the purpose of the arrangement and design of these pegs, sheets and guide elements should definitely be to create local, pronounced vortex or even recirculation zones (arrows S) at certain points, which are local Serve to increase the compressed air residence time in the interest of a high degree of heat exchange; with respect to the arrows S, this is the “critical” deflection zone between the two rows of pipes 8, 9, in which a relatively pronounced separation zone is to be expected - without such or similar sheets or pegs.
  • FIG. 6 a flow deflection that is as homogeneous as possible while primarily avoiding a pronounced separation zone in the critical inner deflection area already mentioned in FIG. 5 — between the two rows of pipes 8, 9 in the deflection chamber — is sought; by means of appropriate plate contouring, for example 7 '' or deflecting channel contouring and in a manner corresponding to a locally distributed arrangement of the pin-like spacing means 23 in the image shown here from current and potential lines, the deflecting chamber should initially - seen from left to right - be essentially continuous have an inwardly curved course (chamber part T 1 ).
  • the deflection chamber Downstream of the inner deflection point U, the deflection chamber should then expand to a laterally bulged chamber section of larger cross section (chamber part T 2 ); from the bulged chamber part T 2 then the deflection Taper the chamber again to a reducing cross-sectional chamber part T 3 , which in the section running out in the direction of the tube row 9 is essentially matched to the relevant access cross-section on the tube row 8 in T.
  • the subject matter of the invention is not limited to all deflection aids or baffles or aerodynamic baffles at the same time as spacers; it can therefore be provided only partially radially protruding into the deflection chamber, applied to one or both plates 6, 7 or sheet metal protrusions as aerodynamic baffles to increase the degree of heat exchange and as deflection aids.
  • the plates 6, 7 forming the deflection chambers 5 can be equipped on the hot gas and / or on the air side by means of thermal deformations to compensate and / or increase the degree of heat exchange, contouring.
  • FIGS. 7 and 8 Such, e.g. Wavy or relief-like contours found on the relevant hot gas and compressed air sides result from FIGS. 7 and 8, the wave-shaped contours 26 in FIG. 7 being designed to run in the direction of the hot gas flow H '; 8, the relevant wavy contours 27 are designed to run transversely against the hot gas flow direction H '.
  • the invention includes the possibility of combining corrugated configurations according to Fig. 7 or 8 with the deflection chamber design according to Fig. 5 or e.g. 7 and 8 each in an alternating sequence with a matrix deflection section 4.
  • 9 embodies an inventive concept in which a plurality of channel-shaped deflection chambers which are fluidically separated from one another are arranged between two plates 6, 7 of the matrix deflection section 4 (claim 10); the number of channel-shaped deflection chambers is matched to the number of tubes of a matrix profile row 8 or 9 opening into it (claim 11); 9, the channel-shaped deflection chambers are formed between mutual half-profile formations 28, 29 of the two adjacent plates 6, 7 (claim 12).
  • the invention also includes the idea, e.g. to provide two channel-shaped deflection chambers which are fluidly separated from one another and e.g. to let two tubes of a row of matrix profiles 8 or 9 open into each deflection chamber.
  • channel-shaped deflection chambers can also be partially provided in fluid communication with one another.
  • FIG. 10 illustrates a hollow profile with a lenticular or lancet-shaped cross section, which can advantageously be used in the subject matter of the invention, that is to say an aerodynamically optimized profile which tapered towards the hot gas flow H on the upstream and downstream sides for the respective profile tube rows 8 and 9 of the matrix 3 (FIG. 1).
  • the lancet tube with its periodically changing curve shape is pushed far less from its position.
  • the leading and trailing edges also experience different thermal longitudinal expansions; Following the law of the curve shape, however, they are homologous to one another in a distortion state that twists the lancet-shaped pipe cross sections. Only slight thermal stresses are built up so that the profile tube remains essentially in the plane of its curve and hardly bends in the direction of the higher temperature.

Abstract

Die vorliegende Erfindung behandelt einen Wärmetauscher mit zwei im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten Sammelleitungen (1,2) und einer heißgasumströmten Kreuz-Gegenstrom-Profilrohr-Matrix (3), in die über die eine Sammelleitung aufzuheizende Druckluft eingespeist und über einen Matrixumlenkabschnitt der anderen Sammelleitung zugeführt wird, wobei der Matrixumlenkabschnitt (4) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.The present invention relates to a heat exchanger with two manifolds (1, 2) arranged essentially parallel to one another and a cross-counterflow profile tube matrix (3) around which hot gas flows, into which compressed air to be heated is fed via the manifold and fed to the other manifold via a matrix deflection section is, wherein the matrix deflection section (4) is designed as a plate heat exchanger.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a heat exchanger according to the preamble of patent claim 1.

Bei derartigen aus der GB-OS 2,130,355 bekannten Bauweisen von Wärmetauschern werden die dem Wärmetausch dienenden Matrixprofilrohre von einen zentralen Zuführungs- oder Verteilerrohr aus zunächst orthogonal zu letzterem und geradlinig in den dem Wärmeaustausch dienenden, heißgasbeaufschlagten Raum geführt, folgen sodann einer Bogenform, um schließlich in der Gegenrichtung wiederum othogonal auf ein zentrales Sammelrohr geführt zu werden. Diese Bauweise hat sich insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen bewährt, da sich die einzelnen Rohrbügel bei Erwärmung individuell und weitgehend spannungsfrei dehnen können.In such designs of heat exchangers known from GB-OS 2,130,355, the matrix profile tubes used for heat exchange are initially guided orthogonally from the central supply or distribution tube to the latter and in a straight line into the hot gas pressurized space for heat exchange, then follow an arc shape and finally into the opposite direction to be guided orthogonally to a central collecting tube. This design has proven particularly useful at high operating temperatures, since the individual pipe brackets can expand individually and largely without tension when heated.

Es sind mit dieser Bauweise allerdings nicht unwesentliche Nachteile verbunden:

  • - Die Rohrbügel sind unterschiedlich lang und setzen daher dem in ihnen strömenden Medium (Druckluft) unterschiedliche Strömungswiderstände entgegen. Als Folge davon ist die Massenstromverteilung unterschiedlich.
  • - Im Bogen- oder Umlenkbereich des Rohrbündels der Matrix trifft auch die Außenströmung (Heißgas) auf ihrem Wege durch das Rohrbündel auf lokal sehr unterschiedliche geometrische Verhältnisse. Die Optimierung der Heißgasdurchströmung ist schwierig und nur mit erheblichem Aufwand zu bewerkstelligen; mit anderen Worten ist der Wärmeaustauschgrad im Bogen- oder Umlenkbereich der Matrix nicht optimal.
  • - Die Bügel neigen im Bogenbereich zu Schwingungen und können zu deren Vermeidung nur mit komplizierten Mitteln gegeneinander abgestützt werden.
  • - Im regulären, geradlinigen Teil der Wärmetauschermatrix ist jedes Profilrohr einem bestimmten Ort im Strömungsfeld zugeordnet. Gegen Abweichungen von diesen vorgeschriebenen Stellungen ist das System bezüglich seiner aero-thermodynamischen Wirksamkeit sehr empfindlich. Thermische Verformungen sowie Knickwirkungen durch Druckspannungen längs der Achse der Profilrohre - z.B. durch Reibungsreaktionskräfte in den Systemen der Abstandshalterung - veranlassen die Profilrohre, im Betrieb des Wärmetauschers von ihrer konstruktiv vorgegebenen geradlinigen Erstreckung abzuweichen.
  • - Die frei aus den Zentralrohren herausragenden Rohrbügel sind Stoßbelastungen frei ausgesetzt ohne Abstützung der Massenkräfte über äußere Glieder.
  • - Da die Rohrbügel einer Schicht als Folge einer krümmungskonzentrischen Rohrstaffelung unterschiedlich lang sind, ist ihre Auslenkung unter der Wirkung von Stoßbelastungen unterschiedlich groß, und zwar sind die äußeren Rohrbügel länger, und damit weicher als die inneren Rohrbügel, die entsprechend steifer sind. Als Folge davon werden bei Einwirkung von Beschleunigungen die äußeren Bügel stärker ausgelenkt, als die inneren. Da die Zuordnung der einzelnen, z.B. lanzettenförmigen Profilrohre im Feld gegenseitig durch Abstandshalter erfolgt, wird die freie Auslenkung der weicheren Rohrbügel durch ihre Abstützung an den Abstandshaltern der steiferen Rohrbügel behindert. Das heißt, daß die steiferen Rohrbügel e*Lnen großen Anteil der Massenkräfte ihrer weicheren Rohrnachharn mittragen müssen. Insbesondere die innen liegenden, steifen Rohrbügel haben dadurch die Summe der Lasten aus der Behinderung der Auslenkung aller weiter außen liegenden Rohrbügel zu tragen.
There are, however, not insignificant disadvantages associated with this design:
  • - The pipe brackets are of different lengths and therefore set different flow resistances against the medium flowing in them (compressed air). As a result, the mass flow distribution is different.
  • - In the bend or deflection area of the tube bundle of the matrix, the external flow (hot gas) on its way through the tube bundle encounters locally very different geometric conditions. The optimization of the hot gas flow is difficult and can only be accomplished with considerable effort; in other words, the degree of heat exchange in the arc or deflection area of the matrix is not optimal.
  • - The brackets tend to vibrate in the arch area and can only be supported against one another with complicated means to avoid them.
  • - In the regular, straight-line part of the heat exchanger matrix, each profile tube is assigned to a specific location in the flow field. The system is very sensitive to deviations from these prescribed positions with regard to its aero-thermodynamic effectiveness. Thermal deformations as well as kinking effects due to compressive stresses along the axis of the profile tubes - e.g. due to frictional reaction forces in the spacer systems - cause the profile tubes to deviate from their design-oriented straight extension during operation of the heat exchanger.
  • - The tube brackets protruding freely from the central tubes are exposed to shock loads without supporting the mass forces via external links.
  • - Since the pipe brackets of a layer are of different lengths as a result of a curvature-concentric pipe stacking, their deflection under the effect of shock loads is of different sizes, namely the outer pipe brackets are longer and therefore softer than that inner tube bracket, which are correspondingly stiffer. As a result, the outer brackets are deflected more than the inner brackets when accelerated. Since the assignment of the individual, for example lancet-shaped, profile tubes to one another is carried out by spacers, the free deflection of the softer tube brackets is hindered by their support on the spacers of the stiffer tube brackets. This means that the stiffer pipe brackets have to support a large proportion of the mass forces of their softer pipe reins. In particular, the inner, stiff pipe brackets have to bear the sum of the loads from the hindrance of the deflection of all pipe brackets located further out.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgetragenen Nachteile zu beseitigen und einen Wärmetauscher der genannten Gattung anzugeben, der insbesondere im Hinblick auf den kritischen Bogen-oder Umlenkbereich der Matrix einen vergleichsweise hohen Wärmeaustauschgrad und dabei zugleich eine funktionsgerechte, betriebssichere Halterung und Abstützung der in Richtung auf den Bogen- bzw. Umlenkbereich der Matrix auskragenden Profilrohrenden ermöglicht.The invention is based on the object of eliminating the disadvantages presented in relation to the known and of specifying a heat exchanger of the type mentioned which, in particular with regard to the critical arc or deflection area of the matrix, has a comparatively high degree of heat exchange and at the same time a functionally appropriate, reliable mounting and support of the in the direction of the arc or deflection area of the matrix projecting tube ends.

Die gestellte Aufgabe ist mit dem Krennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.The stated object is achieved according to the invention with the characterizing part of patent claim 1.

Mithin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Matrixbogenbereich eines Profilrohrwärmetauschers durch plattenförmige Kammern zu ersetzen, in denen das aus den orthogonal nach außen gerichteten Profilrohren einer Rohrschicht oder -reihe austretende Fluid (Druckluft) gesammelt wird und unter Vermischung und Wärmeaustausch der orthogonal nach innen gerichteten Profilrohrschicht oder -Reihe zugeführt wird.It is therefore provided according to the invention to replace the matrix bend area of a profile tube heat exchanger by plate-shaped chambers in which the fluid (compressed air) emerging from the orthogonally outward profile tubes of a tube layer or row is collected and mixed and Heat exchange of the orthogonally inward directed pipe layer or row is supplied.

Gegenüber Bekanntem ergeben sich dabei u.a. folgende Vorteile:

  • 1. Die Profilrohre des Wärmetauschers sind nicht nur auf der Seite ihres Ursprungs im Verteilerrohr oder ihrer Einmündung in die betreffende Sammelleitung, sondern auch im äußeren Bereich ihrer Erstreckung in einem festen strukturellen Verband exakt zueinander positioniert. Die Zuordnung jedes einzelnen Profilrohres an die ihm zugewiesene Stelle im Strömungsfeld kann damit auch bei Einwirkung thermisch verursachter Zwänge und Verformungen exakt beibehalten werden.
  • 2. Ein Kollektiv von schichtweise nebeneinanderliegenden plattenförmigen Kammern kann in einer angrenzenden Haltevorrichtung abgestützt werden, so daß die Profilrohre bei Einwirkung von Beschleunigungskräften durch Stöße und Erschütterungen weitgehend lastfrei bleiben. Dies insbesondere mit Hilfe einer in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehenen reaktionsweichen Anpassung der Profilrohre an Verschiebungen ihrer Einspannstellen als Folge eines periodisch kurvenförmigen Verlaufes ihrer Längsachse.
  • 3. Schwingungen einzelner Profilrohre der Matrix oder auch von Profilrohrgruppen, durch die sowohl Störungen in der Funktion des Wärmeaustausches als auch Materialermüdung verursacht werden könnten, können durch eine feste Abstützung der Profilrohre an den Plattenkammern und deren Abstützung an den umgebenden Strukturen vermieden werden.
  • 4. Eine äußere Berandung des Kollektivs der Plattenkammern könnte in solch dichtem Abstand ausgeführt werden, daß das die Profilrohre und die Plattenkammern außen umströmende Heißgas optimal geführt wird und ein seitlicher Austritt der Heißgasströmung, unter Umgehung des Wärmetauschers, vermieden wird.
  • 5. Die Anzahl der auswärts gerichteten Profilrohre einer Rohrreihe kann sich von derjenigen einer einwärts gerichteten unterscheiden. Das kann für die thermodynamische Optimierung des Wärmetauschers von Bedeutung sein; es lassen sich so z.B. gewünschten Falles unterschiedliche Druckluftdurchströmgeschwindigkeiten in den beiden einander entgegengerichtet durchströmten Profilreihen bzw. -schichten erzielen.
  • 6. Es sind unterschiedliche Werkstoffe für die beiden einander entgegengerichtet durchströmten Profilreihen oder -schichten einsetzbar.
Compared to the known, there are the following advantages:
  • 1. The profile tubes of the heat exchanger are not only positioned exactly to one another on the side of their origin in the distributor tube or their junction in the relevant manifold, but also in the outer region of their extension in a fixed structural association. The assignment of each individual profile tube to its assigned location in the flow field can thus be exactly maintained even when thermally induced constraints and deformations are involved.
  • 2. A collective of plate-shaped chambers lying next to one another in layers can be supported in an adjacent holding device, so that the profile tubes remain largely load-free under the action of acceleration forces due to impacts and vibrations. This is done in particular with the aid of a reaction-free adaptation of the profiled tubes to displacements of their clamping points as a result of a periodically curved course of their longitudinal axis.
  • 3. Vibrations of individual profile tubes of the matrix or of profile tube groups, which could cause both malfunctions in the function of heat exchange and material fatigue, can be avoided by firmly supporting the profile tubes on the plate chambers and supporting them on the surrounding structures.
  • 4. An outer boundary of the collective of the plate chambers could be carried out in such a close distance that the hot gas flowing around the profile tubes and the plate chambers is guided optimally and a lateral escape of the hot gas flow, bypassing the heat exchanger, is avoided.
  • 5. The number of outward profile tubes of a row of tubes can differ from that of an inward direction. This can be important for the thermodynamic optimization of the heat exchanger; In this way, for example, if desired, different compressed air flow velocities can be achieved in the two rows or layers of profiles through which flow flows in opposite directions.
  • 6. Different materials can be used for the two rows or layers of profiles flowed in opposite directions.

In weiterer Ausgestaltung kann mithin die jeweilige plattenförmige Kammer also aus zwei Blechen gebildet werden, die die Rohrreihen der Matrix an den entsprechenden Stellen mit ihrem Rand einschließen und an den übrigen gemeinsam gebildeten Rändern ihres Umfanges fest und fluiddicht miteinander verbunden sind.In a further embodiment, the respective plate-shaped chamber can thus be formed from two metal sheets which enclose the rows of tubes of the matrix with their edges at the corresponding points and are connected to one another in a fixed and fluid-tight manner at the other edges of their circumference which are jointly formed.

Zur Versteifung und Stützung gegen die Wirkungen des Innendruckes können gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die zwei Platten jeder Kammer an diskreten Stellen miteinander verbunden sein und dabei auch der zur Darstellung des Strömungsquerschnittes erforderliche Abstand hergestellt werden. Diese Verbindungsstellen oder Abstandshalter können z.B. so gestaltet sein, daß sie in zweckmäßiger Weise die Innenströmung des einen Fluids (Druckluft) nicht nur im Sinne einer Strömungsumlenkung, sondern auch im Sinne einer Optimierung der Wärmeübergangsverhältnisse beeinflussen.For stiffening and support against the effects of the internal pressure, the two plates of each chamber can be connected to each other at discrete locations and the distance required to represent the flow cross-section getting produced. These connection points or spacers can, for example, be designed such that they suitably influence the internal flow of the one fluid (compressed air) not only in the sense of a flow deflection but also in the sense of optimizing the heat transfer conditions.

Die Platten müssen nicht geradwandig glattflächig ausgebildet sein, sondern können mit Wellungen und reliefartigen Strukturen der Fläche versehen sein, durch die sie in der Lage sind, auf thermische Verformungen und Verzerrungen weitgehend weich und formstabil zu reagieren. In doppelter Funktion können diese Wellungen und Reliefstrukturen auch der Verbesserung des Wärmeüberganges entsprechend gestaltet sein. Zur Wahrung enger Kammerabstände zwischen den jeweils beiden Platten wie auch zwischen benachbarten Platten verschiedener Schichten (Heißgaskanäle) ist es ferner im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Formmuster entsprechend untereinander korrelieren zu lassen.The plates do not have to have a straight-walled, smooth surface, but can be provided with corrugations and relief-like structures of the surface, by means of which they are able to react to thermal deformations and distortions in a largely soft and dimensionally stable manner. In a double function, these corrugations and relief structures can also be designed to improve the heat transfer. In order to maintain narrow chamber distances between the two plates as well as between adjacent plates of different layers (hot gas channels), it is further provided within the scope of the invention to have the shape patterns correlate with one another accordingly.

Nach dem schon erwähnten und erörterten Grundgedanken der Erfindung (Patentanspruch 1) beruhen die zuvor gemachten und auf dem Grundgedanken aufbauenden Erläuterungen im wesentlichen auf den vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung im Rahmen der Patentansprüche 2 bis 16.According to the basic idea of the invention already mentioned and discussed (claim 1), the explanations previously made and based on the basic idea are based essentially on the advantageous embodiments of the invention within the scope of patent claims 2 to 16.

anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:

  • Fig. 1 eine perspektivische und teilweise abgebrochen sowie im wesentlichen schematisch dargestellte Ausführung eines Profilrohr-Platten-Wärmetauschers,
  • Fig. 2 eine gehäuseseitig teilweise aufgebrochene Stirnansicht eines Abschnittes einer weiteren Wärmetauscherkonfiguration,
  • Fig. 3 eine perspektivisch dargestellte, aus zwei Platten gebildete, heißgasaußenseitig im wesentlichen glattwandige Umlenkkammerkonfiguration mit seitlich darin einmündenden Matrixprofilrohren,
  • Fig. 4 eine teilweise abgebrochen sowie zur besseren Verdeutlichung einer örtlichen Matrixprofilrohreinmündung und -umschließung quer aufgeschnittene Umlenkkammerkonfiguration,
  • Fig. 5 die Innenansicht einer kompletten Umlenkkammerhälfte, worin als Abstandshalter, Umlenkhilfen bzw. aerodynamische Schikanen ausgebildete Elemente verdeutlicht sind,
  • Fig. 6 die Innenansicht einer gegenüber Fig. 5 dahingehend abgewandelten Umlenkkammerhälfte, daß die Kammer im wesentlichen teilweise exzentrisch gekrümmt bzw. ausgebaucht und in Verbindung mit entsprechender Zuordnung von stiftartigen Distanzelementen eine aerodynamisch optimierte, verlustarme Umlenkung erzielt wird,
  • Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer gegneüber Fig. 3 und 4 abgewandelten, aus zwei Platten gebildeten Umlenkkammerkonfiguration mit in Plattenlängsrichtung verlaufenden Wellstrukturen,
  • Fig. 8 eine gegenüber Fig. 7 dadurch abgewandelte Platten-Umlenkkammerkonfiguration, daß örtliche Wellstrukturen in Plattenquerrichtung aus- bzw. eingeprägt sind,
  • Fig. 9 eine gegenüber sämtlich vorhergehenden Varianten vorrangig dadurch abgewandelte, ebenfalls perspektivisch dargestellte Platten-Umlenkkammerkonfiguration, daß eine entsprechend der Anzahl der einmündenden Matrixrohrenden entsprechende Zahl von Einzelumlenkkanälen im Wege der gegenseitigen Plattenhälften ausgebildet ist,
  • Fig. 10 einen lanzettenförmigen Matrixprofilquerschnitt und
  • Fig. 11 eine gehäuseseitig aufgeschnittene Draufsicht eines Wärmetauscherkonzepts mit periodisch kurvenförmigem Verlauf der Profilrohre.
based on the drawings, the invention is further explained for example; show it:
  • 1 is a perspective and partially broken and substantially schematically illustrated embodiment of a profile tube plate heat exchanger,
  • 2 is an end view, partially broken away on the housing side, of a section of a further heat exchanger configuration,
  • 3 shows a perspectively shown, essentially smooth-walled deflection chamber configuration, formed from two plates on the hot gas outside, with matrix profile tubes opening laterally therein,
  • 4 shows a partially broken-off configuration of the deflection chamber configuration cut open transversely for better clarification of a local matrix profile tube opening and enclosure,
  • 5 shows the inside view of a complete deflection chamber half, in which elements designed as spacers, deflection aids or aerodynamic baffles are illustrated,
  • 6 shows the inside view of a deflection chamber half modified in relation to FIG. 5 in such a way that the chamber is curved or bulged essentially eccentrically and an aerodynamically optimized, low-loss deflection is achieved in connection with corresponding assignment of pin-like spacer elements,
  • 7 shows a perspective illustration of a deflection chamber configuration, modified from that of FIGS. 3 and 4, formed from two plates with corrugated structures running in the longitudinal direction of the plate,
  • 8 shows a plate deflection chamber configuration which is modified compared to FIG. 7 in that local corrugated structures are embossed or embossed in the transverse direction of the plate,
  • 9 shows a plate deflection chamber configuration, which is also modified in perspective compared to all the previous variants, in that a number of individual deflection channels corresponding to the number of the ends of the matrix tube ends is formed in the way of the mutual plate halves,
  • 10 shows a lancet-shaped matrix profile cross section and
  • 11 is a top view of a heat exchanger concept cut open on the housing side with a periodically curved profile tube profile.

Fig. 1 veranschaulicht einen Profilwärmetauscher in Kreuz-Gegenstrom-Bauweise; dieser weist zwei parallel nebeneinander angeordnete Sammelleitungen 1,2 auf. Eine seitlich beiderseits von den Sammelleitungen 1,2 auskragende Profilrohrmatrix ist mit 3 bezeichnet. Der äußere Matrixumlenkabschnitt 4 ist als Plattenwärmetauscher ausgebildet.Fig. 1 illustrates a profile heat exchanger in cross-counterflow design; this has two manifolds 1, 2 arranged parallel to one another. A profile tube matrix projecting laterally on both sides from the collecting lines 1, 2 is designated by 3. The outer matrix deflection section 4 is designed as a plate heat exchanger.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Profilrohrmatrix 3 kragt quer von den beiden Sammelleitungen 1,2 gegen die Heißgasströmung H aus.The profile tube matrix 3 shown schematically in FIG. 1 protrudes transversely from the two manifolds 1, 2 against the hot gas flow H.

Wie im Detail deutlicher z.B. aus Fig. 1 bis 5 hervorgeht, besteht der Matrixumlenkabschnitt 4 aus jeweils Druckluftumlenkkammern 5 bildenden bzw. zwischen sich einschließenden Platten 6,7 die vorzugsweise entlang deren äußerer Ränder fest und fluiddicht miteinander verbunden sind. An die Platten 6,7 sind mit den jeweils betreffenden Umlenkkammern 5 kommunizierende, einander entgegengerichtet von Druckluft D1, D3 durchströmte Profilrohrreihen 8,9 der Matrix 3 ein- bzw. austrittsseitig angeschlossen.As more clearly in detail e.g. 1 to 5, the matrix deflection section 4 consists of plates 6, 7 which form or enclose compressed air deflection chambers 5 and which are preferably firmly and fluid-tightly connected to one another along their outer edges. Connected to the plates 6, 7 with the respective deflection chambers 5 communicating, opposite flow of compressed air D1, D3 profile tube rows 8, 9 of the matrix 3 are connected on the inlet or outlet side.

Im Betrieb strömt also vorzuwärmende Druckluft D auf einer Seite in die Sammelleitung 1 ein, wird von dort den betreffenden Rohrreihen 8 des oberen Matrixblockes zugeführt , dann über die im Matrixumlenkabschnitt 4 enthaltenen Umlenkkammern 5 umgelenkt (D2), so daß sie in nunmehr entgegengesetzter Strömungsrichtung in den die betreffenden Rohrreihen 9 enthaltenden unteren Matrixblock einströmen kann (D3), aus dem sie dann un aufgeheizten Zustande in die untere Sammelleitung 2 abfließen kann, um dann schließlich einen geeigneten Verbraucher, z.B. der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes, zugeführt zu werden (D 4).During operation, compressed air D to be preheated flows into the manifold 1 on one side, is fed from there to the relevant rows of pipes 8 of the upper matrix block, then deflected via the deflection chambers 5 contained in the matrix deflection section 4 (D 2 ), so that they are now in the opposite direction of flow can flow into the lower matrix block containing the relevant rows of pipes 9 (D 3 ), from which it can then flow unheated into the lower manifold 2, in order to finally be supplied to a suitable consumer, for example the combustion chamber of a gas turbine engine ( D 4 ).

Gemäß Fig. 1 kragt der Matrixumlenkabschnitt 4 gegen eine seitliche, die Heißgasführung H, H' unterstützende Wärmetauschergehäusewand 10 aus. Dabei werden die betreffenden Platten 6,7 entlang deren Außenflächen - siehe auch z.B. Fig. 3 und 4 - von Heißgasanteilen H' umströmt. Als Folge der paket- bzw. schichtartig aufeinander folgenden Plattenausbildung und -anordnung ergeben sich gemäß Fig. 1 lediglich zur Verdeutlichung des Sachverhalts hier verhältnismäßig groß dargestellte Abstandsspalte A für die Heißgasdurchflutung H'.1, the matrix deflection section 4 protrudes against a lateral heat exchanger housing wall 10 which supports the hot gas guide H, H '. The relevant plates 6, 7 are along their outer surfaces - see also e.g. 3 and 4 - flows around from hot gas portions H '. As a result of the packet-like or layer-like successive plate formation and arrangement, according to FIG. 1 there are only relatively large spacing gaps A for the hot gas flooding H ′, which are shown here to clarify the facts.

Danach ist also auch der gesamte Umlenkabschnitt 4 der Matrix 3 in einen gezielten, homogenen, die erforderlichen Wärmetauschflächen bereitstellenden Wärmetauschprozeß miteinbeziehbar. Die Konturen K,K' (Fig. 1) charakterisieren den im Rahmen des Standes der Technik üblichen, U-förmigen Matrixbogenendbereich aus Einzelprofilrohren.Thereafter, the entire deflection section 4 of the matrix 3 can also be included in a targeted, homogeneous heat exchange process which provides the necessary heat exchange surfaces. The contours K, K '(FIG. 1) characterize the U-shaped matrix arch end region made of individual profile tubes which is customary in the context of the prior art.

Gemäß Fig. 1 wird davon ausgegangen, daß an die im Bild rechts, abgebrochenen Profilrohrmatrixsektionen selbstverständlich eine erfindungsgemäße Matrixumlenksektion als Plattenkonzept nebst relevanter Gehäuseummantelung angeschlossen sein kann.According to FIG. 1, it is assumed that a matrix deflection section according to the invention can of course be connected as a plate concept together with relevant housing casing to the section tube matrix sections broken off in the picture on the right.

Der Erfindungsgegenstand ist aber auch dann bereits vorteilhaft praktikabel, wenn nur eine einseitig von den betreffenden Sammelleiten 1,2 auskragende Matrixkonfiguration 3,4 vorgesehen ist.However, the subject matter of the invention is already advantageously practicable if only one matrix configuration 3, 4 projecting on one side from the relevant busbars 1, 2 is provided.

Ferner wäre es möglich, beim angegebenen Wärmetauscherkonzept beide Sammelleitungen als voneinander getrennte Rohrführungen in ein gemeinsames Sammelrohr zu integrieren, wie an sich bekannt.Furthermore, it would be possible to integrate both manifolds as separate pipe guides in a common manifold in the specified heat exchanger concept, as is known per se.

Gemäß Fig. 2 weisen die jeweils die Umlenkkammern 5 bildenden Platten, z.B. 6', matrixprofilein- bzw. -austrittsseitig abgeschrägte Endflächen 11, 12 auf. In Entsprechung zur außenflächenseitig gerundeten Kontur des Matrixumlenkabschnitts 4' ist die angrenzende Gehäusewand 10' ausgewölbt. Zur Abdichtung des Heißgasleckspaltes 13 - zwischen Gehäusewand 10' und Umlenkabschnitt 4' - sind Bürstendichtungen 14,15 bewegungskompensatorisch ausgebildet und an der Wand 10' angeordnet. Die Borsten der Bürstendichtungen 14, 15 schmiegen sich stets abdichtend an betreffende, die Heißgasspalte A (Fig. 1) nach außen abdichtende Endflächen bzw. eine mit dem Umlenkabschnitt 4' bzw. dessen Platten - hier 6',7' - verbundene Leitwand 16 an. Die einzelnen Platten 6',7' sind durch eine aus Gliedern 17,18 bestehende Rahmenkonstruktion entsprechend beabstandet (A) zusammengehalten, die ihrerseits wiederum bewegungskompensatorisch an der Gehäusewand 10' aufgehängt ist, und zwar mittels stirnflächiger Anlenkmittel 19,20.According to FIG. 2, the plates, for example 6 ′, each forming the deflection chambers 5, have bevelled end faces 11, 12 on the matrix profile entry or exit side. Corresponding to the contour of the matrix deflecting section 4 'rounded on the outer surface side, the adjacent housing wall 10' is curved. To seal the hot gas leak gap 13 - between the housing wall 10 'and the deflection section 4' - brush seals 14, 15 are designed to compensate for movement and are arranged on the wall 10 '. The bristles of the brush seals 14, 15 always nestle against the relevant hot gas gaps A (FIG. 1) from the outside sealing end faces or a guide wall 16 connected to the deflection section 4 'or its plates - here 6', 7 '. The individual plates 6 ', 7' are held together accordingly by a frame structure consisting of links 17, 18 (A), which in turn is suspended on the housing wall 10 'to compensate for movement, by means of end-face articulation means 19, 20.

Aus Fig. 3 und 4 erkennt man ferner, daß in diesen Fällen z.B. die betreffenden Platten 6,7 außen im wesentlichen glattwandig ausgebildet sind. Die aus Fig. 1 entnehmbaren repräsentativen Symbole für die Heißgasströmung H' bzw. die jeweilige Druckluftströmung D1, D3 sind in sinngemäßer Zuordnung auch auf Fig. 3 und Fig. 4 übertragen worden.3 and 4 it can also be seen that in these cases, for example, the plates 6, 7 in question are essentially smooth-walled on the outside. The representative symbols for the hot gas flow H ′ or the respective compressed air flow D 1 , D 3 that can be seen from FIG. 1 have also been assigned to FIGS. 3 and 4 in a corresponding assignment.

Insbesondere Fig. 4 erläutert im Wege der aufgeschnittenen Platten-Kammer-Sektion die aus den örtlichen Plattenauswölbungen 21,22 bereitgestellte formschlüssige und fluiddichte Umgreifungsmöglichkeit und -ausbildung der örtlich in die betreffende Umlenkkammer 5 einmündenden Profilrohrreihen 8 bzw. 9 der Rohrmatrix 3.In particular, FIG. 4 explains, by means of the cut-open plate-chamber section, the form-fitting and fluid-tight gripping possibility and design provided from the local plate bulges 21, 22 of the profile tube rows 8 and 9 of the tube matrix 3 that open locally into the relevant deflection chamber 5.

Aus Fig. 3 ist ferner zu erkennen, daß die Anzahl der Rohre der einen Profilrohrreihe 8 hier z.B. größer ist als die Rohranzahl der anderen, in entgegengesetzter Richtung D3 von Druckluft durchströmten Profilreihe 9.From FIG. 3 it can also be seen that the number of tubes in one profile tube row 8 is here, for example, greater than the number of tubes in the other profile row 9 through which compressed air flows in the opposite direction D 3 .

Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesentlichen unveränderte Grundbauteile verkörpert Fig. 5 eine Umlenkkammerkonfiguration, bei der in erster Linie an diskreten Stellen zwischen zwei benachbarten Platten6,7 (Fig. 1, 3 oder 4) den Kammerdurchströmquerschnitt definierende, als Umlenkhilfen ausgebildete Abstandsstücke, z.B. Zapfen 23 oder Ablenkbleche 24 oder gerade Leitelemente 25 vorgesehen sind. Im Bestreben, eine möglichst geordnete Hauptströmungsumlenkung D2 zu erzielen, soll es durchaus der Zweck der Anordnung und Ausbildung dieser Zapfen, Bleche und Leitelemente sein, örtliche, an bestimmten Stellen ausgeprägte Wirbel- oder gar Rezirkulationszonen (Pfeile S) zu schaffen, die zur örtlichen Druckluftverweilzeiterhöhung im Interesse eines hohen Wärmeaustauschgrades dienen; bezüglich der Pfeile S handelt es sich dabei also um die zwischen den beiden Rohrreihen 8,9 liegende "kritische" Unlenkzone, in der - ohne derartige oder ähnliche Bleche oder Zapfen - eine verhältnismäßig ausgeprägte Ablösungszone zu erwarten ist.Using the same reference numerals for essentially unchanged basic components, FIG. 5 embodies a deflection chamber configuration in which primarily at discrete locations between two adjacent plates 6, 7 (Fig. 1, 3 or 4) defining the chamber flow cross section, designed as deflection spacers, for example pin 23 or baffles 24 or straight guide elements 25 are provided. In order to achieve a main flow deflection D 2 that is as orderly as possible, the purpose of the arrangement and design of these pegs, sheets and guide elements should definitely be to create local, pronounced vortex or even recirculation zones (arrows S) at certain points, which are local Serve to increase the compressed air residence time in the interest of a high degree of heat exchange; with respect to the arrows S, this is the “critical” deflection zone between the two rows of pipes 8, 9, in which a relatively pronounced separation zone is to be expected - without such or similar sheets or pegs.

Gemäß Fig. 6 wird - eine möglichst insgesamt homogene Strömungsumlenkung unter vorrangiger Vermeidung einer ausgeprägten Ablösungszone im zuvor in Fig. 5 schon erwähnten kritischen inneren Umlenkbereich - zwischen beiden Rohrreihen 8,9 in der Umlenkkammer - angestrebt; im Wege entsprechender Plattenkonturierung, z.B. 7'', bzw. Umlenkkanmerkonturierung sowie im Benehmen mit entsprechend örtlich verteilter Anordnung der hier stiftartigen Abstandsmittel 23 im dargestellten Bild aus Strom- und Potentiallinien soll hierzu die Umlenkkammer - von links nach rechts gesehen - zunächst einen im wesentlichen kontinuierlich einwärts gekrümmten Verlauf (Kammerteil T1) aufweisen. Stromab der inneren Umlenkstelle U soll dann die Umlenkkammer sich auf eine seitlich ausgebauchte Kammersektion größeren Querschnitts (Kammerteil T2) erweitern; vom ausgebauchten Kammerteil T2 aus soll sich dann die Umlenkkammer wieder auf einen im Querschnitt verringernden Kammerteil T3 verjüngen, der im in Richtung auf die Rohrreihe 9 auslaufenden Abschnitt im wesentlichen auf den betreffenden Zugangsquerschnitt an der Rohrreihe 8 in T abgestimmt ist.According to FIG. 6, a flow deflection that is as homogeneous as possible while primarily avoiding a pronounced separation zone in the critical inner deflection area already mentioned in FIG. 5 — between the two rows of pipes 8, 9 in the deflection chamber — is sought; by means of appropriate plate contouring, for example 7 '' or deflecting channel contouring and in a manner corresponding to a locally distributed arrangement of the pin-like spacing means 23 in the image shown here from current and potential lines, the deflecting chamber should initially - seen from left to right - be essentially continuous have an inwardly curved course (chamber part T 1 ). Downstream of the inner deflection point U, the deflection chamber should then expand to a laterally bulged chamber section of larger cross section (chamber part T 2 ); from the bulged chamber part T 2 then the deflection Taper the chamber again to a reducing cross-sectional chamber part T 3 , which in the section running out in the direction of the tube row 9 is essentially matched to the relevant access cross-section on the tube row 8 in T.

Gemäß Patentanspruch 4 ist der Erfindungsgegenstand nicht darauf beschränkt, sämtliche Umlenkhilfen oder Leitbleche bzw. aerodynamische Schikanen zugleich als Abstandshalter ausbilden zu sollen; es können also lediglich teilweise radial in die Umlenkkammer vorstehende, an einer oder beiden Platten 6,7 aufgebrachte Formkörper oder Blechausprügungen als aerodynamische Schikanen zur Erhöhung des Wärmeaustauschgrades sowie als Umlenkhilfen vorgesehen sein.According to claim 4, the subject matter of the invention is not limited to all deflection aids or baffles or aerodynamic baffles at the same time as spacers; it can therefore be provided only partially radially protruding into the deflection chamber, applied to one or both plates 6, 7 or sheet metal protrusions as aerodynamic baffles to increase the degree of heat exchange and as deflection aids.

Gemäß Patentanspruch 5 können die die Umlenkkammern 5 bildenden Platten 6,7 heißgas- und/oder durckluftseitig mittels thermische Verformungen kompensierender und/oder den Wärmeaustauschgrad erhöhender Konturierungen ausgestattet sein.According to claim 5, the plates 6, 7 forming the deflection chambers 5 can be equipped on the hot gas and / or on the air side by means of thermal deformations to compensate and / or increase the degree of heat exchange, contouring.

Derartige, z.B. auf den betreffenden Heißgas- und Druckluftseiten befinliche wellen- oder reliefartige Konturierungen ergeben sich aus den Fig. 7 und 8, wobei in Fig. 7 die wellenförmigen Konturierungen 26 in Richtung der Heißgasströmung H' verlaufend ausgebildet sind; in Fig. 8 sind die betreffenden wellenförmigen Konturierungen 27 quer gegen die Heißgasströmungsrichtung H' verlaufend ausgebildet.Such, e.g. Wavy or relief-like contours found on the relevant hot gas and compressed air sides result from FIGS. 7 and 8, the wave-shaped contours 26 in FIG. 7 being designed to run in the direction of the hot gas flow H '; 8, the relevant wavy contours 27 are designed to run transversely against the hot gas flow direction H '.

In zweckmäßiger Ausbildung (Anspruch 7) sollen die betreffenden Konturierungen unter Wahrung der kammerseitigen Wandbeabstandung (z.B. Kammer 5, Fig. 4) wie auch der heißgasdurchströmseitigen Wand- bzw. Platten- beabstandung A (Fig. 1) miteinander korrelierend ausgebildet sein.In an expedient design (claim 7), the contours in question should be maintained while maintaining the chamber-side wall spacing (for example chamber 5, FIG. 4) as well as the wall or plate wall on the hot gas flow side. spacing A (Fig. 1) to be correlated.

Die Erfindung schließt die Möglichkeit mit ein, Wellkonfigurationen nach Fig. 7 oder 8 mit der Umlenkkammerkonzeption nach Fig. 5 zu kombinieren oder z.B. Wellkonzepte nach Fig. 7 und 8 jeweils in wechselnder Folge bei einem Matrixumlenkabschnitt 4 vorzusehen.The invention includes the possibility of combining corrugated configurations according to Fig. 7 or 8 with the deflection chamber design according to Fig. 5 or e.g. 7 and 8 each in an alternating sequence with a matrix deflection section 4.

Fig. 9 verkörpert ein Erfindungskonzept, bei dem mehrere fluidisch voneinander getrennte kanalförmige Umlenkkammern zwischen je zwei Platten 6,7 des Matrixumlenkabschnitts 4 angeordnet sind (Anspruch 10); dabei ist die Anzahl der kanalförmigen Umlenkkammern auf die Anzahl der darin einmündenden Rohre einer Matrixprofilreihe 8 bzw. 9 abgestimmt (Anspruch 11); ferner werden in Fig. 9 die kanalförmigen Umlenkkammern zwischen gegenseitigen Halbprofilausformungen 28,29 der jeweils beiden benachbarten Platten 6,7 au9gebildet (Anspruch 12).9 embodies an inventive concept in which a plurality of channel-shaped deflection chambers which are fluidically separated from one another are arranged between two plates 6, 7 of the matrix deflection section 4 (claim 10); the number of channel-shaped deflection chambers is matched to the number of tubes of a matrix profile row 8 or 9 opening into it (claim 11); 9, the channel-shaped deflection chambers are formed between mutual half-profile formations 28, 29 of the two adjacent plates 6, 7 (claim 12).

Nicht weiter dargestellt, beinhaltet die Erfindung (Anspruch 10) aber auch den Gedanken, z.B. zwei fluidisch voneinander getrennte kanalförmige Umlenkkammern vorzusehen und z.B. in jede Umlenkkammer zwei Rohre einer Matrixprofilrohrreihe 8 bzw. 9 einmünden zu lassen.Not further shown, the invention (claim 10) also includes the idea, e.g. to provide two channel-shaped deflection chambers which are fluidly separated from one another and e.g. to let two tubes of a row of matrix profiles 8 or 9 open into each deflection chamber.

Je nach Bedarf können im Rahmen des Anspruches 10 aber auch teilweise fluidisch miteinander kommunizierende kanalförmige Umlenkkammern vorgesehen sein.Depending on requirements, channel-shaped deflection chambers can also be partially provided in fluid communication with one another.

Fig. 10 veranschaulicht ein beim Erfindungsgegenstand vorteilhaft einsetzbares, im Querschnitt linsen- oder lanzettenförmiges Hohlprofil, also ein aerodynamisch optimiertes, in Richtung der Heißgasströmung H an- und abströmseitig strömungsgünstig zugespitzt auslaufendes Profil für die jeweiligen Profilrohrreihen 8 bzw. 9 der Matrix 3 (Fig. 1).10 illustrates a hollow profile with a lenticular or lancet-shaped cross section, which can advantageously be used in the subject matter of the invention, that is to say an aerodynamically optimized profile which tapered towards the hot gas flow H on the upstream and downstream sides for the respective profile tube rows 8 and 9 of the matrix 3 (FIG. 1).

Fig. 11 verkörpert eine weitere Erfindungsvariante (Anspruch 8), wonach die Profilrohre bzw. Profilrohrreihen, hier also im Wege der oberen Profilrohrreihen 8 veranschaulicht, mit einem in Richtung ihrer Längsachsen periodisch kurvenförmigen Verlauf zwischen den Sammelleitungen, hier also der oberen Sammelleitung 1 und den betreffenden Platten 6,7 des Matrixumlenkabschnitts 4 angeordnet sind. Darin sind Abstandshalter zwischen den Profilrohren mit 30 bezeichnet. Im einzelnen hierzu folgendes:

  • Durch den nach beiden Seiten periodisch ausladenden Kurvenverlauf der Längsachse erhält das Lanzettenrohr mehr Freiheitsgrade, um gegenüber Verschiebungen weich, d.h. mit nur geringen Gegenkräften, zu reagieren:
    • - Störungen im Längsabstand der Rohrenden (z.B. durch Wärmedehnungen des Rohres relativ zur Haltebasis, durch Verschiebungen der Haltebasen gegeneinander in Richtung der Rohrachse) werden durch Biegung des Profilrohres aufgenommen und ausgeglichen, sowie von den Formverhältnissen der Kurve vorgegeben. Abhängig vom Maß der seitlichen Ausladung des Kurvenverlaufes sind die Querverschiebungen des Profilrohres unter der Wirkung von Längenänderungen (z.B. als Folge von Wärmedehnungen) dabei um Größenordnungen kleiner als der entsprechende Querausschlag eines seitlich ausknickenden zunächst geradachsigen Rohres.
    • - Querverschiebungen der Rohrenden in der Ebene der Kurve werden durch Biegung ausgeglichen.
    • - Bei Verschiebungen senkrecht dazu würde das geradlinige Lanzettenrohr um seine Querachse mit dem größten Widerstandsmoment gebogen und entsprechend große Reaktionskräfte entwickeln. Im Unterschied dazu reagiert das mit dem periodischen Kurvenverlauf seiner Längsachse ausgestattete Profilrohr in einem solchen Falle mit weichen Torsionsverformungen.
    • - Durch die örtlich unterschiedlichen Verhältnisse des Wärmeübergangs in Richtung der Außenströmung längs des Lanzettenrohrquerschnittes treten auf der Anströmseite (leading edge) höhere Materialtemperaturen als auf der Abströmseite auf. Die dadurch verursachte unterschiedliche thermische Längsdehnung des Lanzettenrohres würde beim geradlinigen Verlauf seiner Längsachse das Profilrohr zu einer Verbiegung in Richtung auf die heißere Seite veranlassen. Diese Verbiegung kann beträchtliche Werte annehmen und das Lanzettenrohr aus der ihm konstruktiv vorgegebenen Stellung im Strömungsfeld verlagern, so daß Einbußen in der Effektivität des Wärmetauschers und eventuell auch erhöhte Druckverluste in Kauf genommen werden müssten.
Fig. 11 embodies a further variant of the invention (claim 8), according to which the profile tubes or profile tube rows, here illustrated in the way of the upper profile tube rows 8, with a periodically curved course in the direction of their longitudinal axes between the manifolds, here the upper manifold 1 and the relevant plates 6, 7 of the matrix deflection section 4 are arranged. Spacers between the profile tubes are designated by 30. The following in detail:
  • Due to the curve of the longitudinal axis that sweeps periodically to both sides, the lancet tube is given more degrees of freedom in order to react smoothly to displacements, ie with only minimal counterforce:
    • - Disturbances in the longitudinal spacing of the pipe ends (e.g. due to thermal expansion of the pipe relative to the holding base, by displacing the holding bases relative to one another in the direction of the pipe axis) are absorbed and compensated for by bending the profiled pipe, and are predetermined by the shape of the curve. Depending on the dimension of the lateral projection of the curve, the transverse displacements of the profile tube under the effect of changes in length (e.g. as a result of thermal expansion) are orders of magnitude smaller than the corresponding transverse deflection of an initially straight-axis tube that bends sideways.
    • - Transverse displacements of the pipe ends in the plane of the curve are compensated for by bending.
    • - In the case of displacements perpendicular to this, the straight lancet tube would move around its transverse axis with the greatest resistance moment bent and develop correspondingly large reaction forces. In contrast to this, the profile tube equipped with the periodic curve of its longitudinal axis reacts in such a case with soft torsional deformations.
    • - Due to the locally different conditions of heat transfer in the direction of the external flow along the lancet tube cross-section, higher material temperatures occur on the upstream side (leading edge) than on the outflow side. The resulting different thermal longitudinal expansion of the lancet tube would cause the profile tube to bend in the direction of the hotter side if its longitudinal axis were straight. This bending can assume considerable values and move the lancet tube out of its position in the flow field, so that losses in the effectiveness of the heat exchanger and possibly also increased pressure losses would have to be accepted.

In einem solchen Falle wird das Lanzettenrohr mit periodisch wechselndem Kurvenverlauf wesentlich weniger aus seiner Position gedrängt. Zwar erfahren Vorder- und Hinterkante ebenfalls unterschiedliche thermische Längsdehnungen; dem Gesetz der Kurvenform folgend, verlaufen sie aber homolog zueinander in einem Verzerrungszustand, der die lanzettenförmigen Rohrquerschnitte tordiert. Dabei werden nur geringe thermische Spannungen aufgebaut, so daß das Profilrohr im wesentlichen in der Ebene seines Kurvenverlaufes verbleibt und sich kaum in Richtung au: die höhere Temperatur verbiegt.In such a case, the lancet tube with its periodically changing curve shape is pushed far less from its position. The leading and trailing edges also experience different thermal longitudinal expansions; Following the law of the curve shape, however, they are homologous to one another in a distortion state that twists the lancet-shaped pipe cross sections. Only slight thermal stresses are built up so that the profile tube remains essentially in the plane of its curve and hardly bends in the direction of the higher temperature.

Claims (16)

1. Wärmetauscher mit zwei im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten Sammelleitungen und einer heißgasumströmten Kreuz-Gegenstrom-Profilrohr-Matrix, in die über die eine Sammelleitung aufzuheizende Druckluft eingespeist und über einen Matrixumlenkabschnitt der anderen Sammelleitung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixumlenkabschnitt (4) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.1. Heat exchanger with two manifolds arranged essentially parallel to one another and a cross-counterflow profile tube matrix around which hot gas flows, into which compressed air to be heated is fed via the manifold and fed to the other manifold via a matrix deflection section, characterized in that the matrix deflection section (4) is designed as a plate heat exchanger. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixumlenkabschnitt (4) aus Druckluftumlenkkammern (5) bildenden, fest und fluiddicht miteinander verbundenen Platten (6,7) besteht, an die einander entgegengerichtet von Druckluft (D1,D3) durchströmte Profilrohrreihen (8,9) der Matrix (3) ein- und austrittsseitig angeschlossen sind.2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the matrix deflection section (4) from compressed air deflection chambers (5) forming, firmly and fluid-tightly interconnected plates (6,7), to which flowed opposite to each other by compressed air (D 1 , D 3 ) Profile tube rows (8,9) of the matrix (3) are connected on the inlet and outlet side. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und2, dadurch gekennzeichnet, daß an diskreten Stellen zwischen jeweils zwei Platten (6,7) den Kammerdurchströmguerschnitt definierende, zumindest teilweise als Umlenkhilfen ausgebildete Abstandsstücke (23,24) angeordnet sind.3. Heat exchanger according to claims 1 and 2, characterized in that spacers (23, 24) which define the chamber flow cross section and are at least partially designed as deflection aids are arranged at discrete locations between two plates (6, 7). 4. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsstücke und/oder anderweitige, entlang der inneren Kammerbewandung aufgebrachte Formkörper bzw. Ausprägungen als aerodynamische Schikanen zur Erhöhung des Wärmeaustauschgrades ausgebildet sind.4. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the spacers and / or other shaped bodies or shapes applied along the inner chamber wall are formed as aerodynamic baffles to increase the degree of heat exchange. 5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Umlenkkammern (5) bildenden Platten (6,7) heißgas- und/oder druckluftseitig mittels thermische Verformungen kompensierender und/oder den Wärmetauschgrad erhöhender Konturierungen (26,27) ausgestattet sind.5. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the plates (6, 7) forming the deflection chambers (5) on the hot gas and / or compressed air side by means of thermal deformations compensating and / or increasing the degree of heat exchange, contours (26, 27) are equipped. 6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturierungen wellenförmig oder reliefartig ausgebildet sind.6. Heat exchanger according to claim 5, characterized in that the contours are wave-shaped or relief-like. 7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturierungen der Platten (6,7) unter Wahrung der kammerseitigen Wandbeabstandung wie auch der gegenseitigen heißgasdurchströmseitigen Wandbeabstandung miteinander korrelierend ausgebildet sind.7. Heat exchanger according to claim 5 or 6, characterized in that the contours of the plates (6,7) are correlated with each other while maintaining the chamber-side wall spacing as well as the mutual hot gas flow-side wall spacing. 8. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohre bzw. Profilrohrreihen (8,9) der Matrix (3) mit einem in Richtung ihrer Längsachsen kurvenförmigen Verlauf zwischen den betreffenden Sammelleitungen (1,2) und den betreffenden Platten (6,7) des Matrixumlenkabschnitts (4) angeordnet sind.8. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the profile tubes or profile tube rows (8,9) of the matrix (3) with a curve in the direction of their longitudinal axes between the respective manifolds (1,2) and the relevant plates (6, 7) of the matrix deflection section (4) are arranged. 9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die druckluftein- bzw. austrittsseitigen Enden betreffender Matrixprofilrohrreihen (8,9) zwischen gegenseitig korrespondierend vorgeformten Endsektionen der jeweils beiden Platten (6,7 ) einer Umlenkkammer (5) formschlüssig und fluiddicht befestigt sind.9. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the compressed air inlet or outlet-side ends of the matrix profile tube rows (8, 9) between mutually corresponding preformed end sections of the respective two plates (6, 7) of a deflection chamber (5) are positively and fluid-tight attached. 10. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Platten (6,7) des Matrixumlenkabschnitts (4) mehrere zumindest teilweise fluidisch voneinander getrennte kanalförmige Umlenkkammern eingeschlossen sind.10. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that between two plates (6, 7) of the matrix deflection section (4) a plurality of at least partially fluidically separated channel-shaped deflection chambers are enclosed. 11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der kanalförmigen Umlenkkammern auf die Anzahl der darin einmündenden Matrixprofilrohre bzw. die Anzahl der Rohre einer Profilrohrreihe (8,9) abgestimmt ist.11. Heat exchanger according to claim 10, characterized in that the number of channel-shaped deflection chambers is matched to the number of matrix profile tubes opening therein or the number of tubes of a row of profile tubes (8, 9). 12. Wärmetauscher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch -gekennzeichnet, daß die kanalförmigen Umlenkkammern zwischen bzw. aus gegenseitigen Halbprofilausformungen (28,29) zweier benachbarter Platten (6,7) ausgebildet sind.12. Heat exchanger according to claim 10 or 11, characterized in that the channel-shaped deflection chambers are formed between or from mutual half-profile formations (28, 29) of two adjacent plates (6, 7). 3. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofilkörper ein kreisförmiges oder lanzetten- bzw. linsenförmiges, aerodynamisch optimiertes, in Richtung der Heißgasströmung an- und abströmseitig zugespitzt auslaufendes Profil aufweisen (Fig. 10).3. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that the hollow profile body have a circular or lancet or lenticular, aerodynamically optimized, tapered in the direction of the hot gas flow and tapered profile (Fig. 10). 14. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einander entgegengerichtet von Druckluft durchströmten Profilrohrreihen (8,9) der Matrix (3) mit Abstand im wesentlichen parallel nebeneinander sowie quer gegenüber der Heißgasströmungsrichtung (H) verlaufend angeordnet sind:14. The heat exchanger according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that the rows of profile tubes (8, 9) of the matrix (3) through which compressed air flows in opposite directions are arranged at a distance essentially parallel to one another and transversely with respect to the hot gas flow direction (H) are: 15. Wärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohranzahl der einen Profilreihe (8) von derjenigen der in entgegengesetzter Richtung von Druckluft durchströmten Profilreihe (9) abweicht (Fig. 3, 7 und 8).15. Heat exchanger according to claim 14, characterized in that the number of tubes of a profile row (8) deviates from that of the profile row (9) through which compressed air flows in the opposite direction (FIGS. 3, 7 and 8). 16. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß unter entsprechender Zuordnung die Umlenkung und den Wärmetauschprozeß fördernder Abstandselemente, z.B. Stifte (23), die Umlenkkammer von der Eintritts- nach der Austrittsseite bogenförmig derart gekrümmt ist, daß sie von einem zunächst im wesentlichen kontinuierlich gekrümmten Kammerteil (T1) aus stromab eines inneren Umlenkbogenendes (U), sich auf einen einseitig ausgebauchten Kammerteil (T2) größeren Querschnitts erweitert und von dort auf einen nach innen eingezogenen Kammerteil (T3) ausläuft, dessen austrittsseitiger Querschnitt im wesentlichen mit dem zuströmseitigen Querschnitt der Umlenkkammer identisch ist (Fig. 6).16. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 15, characterized in that, with appropriate assignment, the deflection and the heat exchange process promoting spacer elements, for example pins (23), the deflection chamber is curved in an arc from the inlet to the outlet side such that it from an initially essentially continuously curved chamber part (T 1 ) downstream of an inner deflection bend end (U), expanded to a chamber part (T 2 ) with a larger cross-section and bulged out from there onto an inwardly drawn chamber part (T 3 ), the outlet-side cross section is essentially identical to the inflow-side cross section of the deflection chamber (FIG. 6).
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