EP0228581B1 - Heat-exchanger - Google Patents

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Publication number
EP0228581B1
EP0228581B1 EP86116618A EP86116618A EP0228581B1 EP 0228581 B1 EP0228581 B1 EP 0228581B1 EP 86116618 A EP86116618 A EP 86116618A EP 86116618 A EP86116618 A EP 86116618A EP 0228581 B1 EP0228581 B1 EP 0228581B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
deflection
heat exchanger
exchanger according
plates
profiled
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Expired
Application number
EP86116618A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0228581A1 (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
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 EP0228581A1 publication Critical patent/EP0228581A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0228581B1 publication Critical patent/EP0228581B1/en
Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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

  • a heat exchanger known from US-A-2,819,883 shows that it is known per se to want to design the overall matrix in the form of a semicircular tube which is embedded between two plates and ensures deflection of a fluid.
  • the priority is to create an operationally stable pressure welding connection along the outer plate edges.
  • the invention is based on the object of specifying a heat exchanger according to the preamble of patent claim 1, which has a comparatively high degree of heat exchange, in particular with regard to the normally critical arc or deflection area of the matrix, and at the same time, in particular with regard to expected vibration and shock loads, a reliable operation Bracket and support of the profile tube ends enables.
  • the outer deflection section of the matrix of the profile tube heat exchanger is formed from deflection chambers embedded between plates, in which the fluid (compressed air) emerging from the orthogonally outward profile tubes of a tube layer or row is collected and with the orthogonal mixing and heat exchange internally directed profile tube layer or row is supplied.
  • the spacers and / or other shaped bodies or shapes applied along the inner chamber wall can be designed as aerodynamic baffles to increase the degree of heat exchange.
  • the plates do not have to be smooth-walled, but can e.g. B. be wave-shaped or relief-like, so that they are able to respond to thermal deformations and distortions largely soft and stable.
  • these corrugations and relief structures can also be designed to improve the heat transfer and thus to increase the degree of heat exchange.
  • the contours of the plates can be correlated with one another while maintaining the chamber-side wall spacing as well as the mutual hot gas-side wall spacing.
  • Fig. 1 illustrates a cross-counterflow design tubular heat exchanger; 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 deflection section 4 is designed as a plate heat exchanger which will be explained in more detail later.
  • the profile tube matrix 3 shown schematically in FIG. 1 protrudes transversely from the two manifolds 1, 2 against a main hot gas flow H.
  • compressed air D to be preheated flows into the manifold 1 on one side, is fed from there to the relevant rows of profile tubes 8 of the upper matrix block (D,), then deflected via the compressed air deflection chambers 5 contained in the outer deflection section 4 (D 2 ), so that it can now flow in the opposite flow direction into the lower matrix block containing the relevant profile tube rows 9 (D 3 ), from which it can then flow out into the lower manifold 2 in the heated state, in order to then finally a suitable consumer, e.g. B. the combustion chamber of a gas turbine engine to be supplied (D 4 ).
  • a suitable consumer e.g. B. the combustion chamber of a gas turbine engine to be supplied (D 4 ).
  • the outer deflection section 4 protrudes against a lateral housing wall 10 which supports the guiding of hot gas portions H 'in the latter (4).
  • the relevant plates 6, 7 are along their outer surfaces - see also z. B. Figs. 3 and 4 - flows around from the hot gas portions H '.
  • FIG. 1 there are only relatively large spacing gaps A for the hot gas flow H 'between the plates 6, 7, which are shown here relatively large.
  • the entire outer deflection section 4 of the matrix 3 can also be included in a targeted, homogeneous heat exchange process which provides the required 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.
  • FIG. 1 it is assumed that the profile tube matrix sections shown broken off in FIG. 1, right, can of course be connected to the left according to a matrix deflection section according to the invention as a plate concept along with relevant housing sheathing according to FIG. 1.
  • the adjacent housing wall 10 ′ is curved.
  • brush seals 14, 15 are designed to compensate for movement and are arranged on the housing wall 10 '. The bristles of the brush seals 14, 15 always nestle tightly against the relevant end gaps (A) for the hot gas (FIG.
  • FIG. 4 explains in the way of the cut-open plate-chamber section the form-fitting and fluid-tight gripping possibility provided from the local plate bulges 21, 22 and - formation of the profile tube rows 8 and 9 of the matrix 3 that open locally into the relevant compressed-air deflection chamber 5.
  • FIG. 5 embodies a deflection chamber configuration in which spacers designed as deflection aids primarily define the chamber throughflow cross section at discrete locations between two adjacent plates 6, 7 (FIG. 1, 3 or 4), e.g. B. pin 23 or baffles 24 or straight guide elements 25 are provided.
  • FIG. 6 a flow deflection that is as homogeneous as possible, with the primary avoidance of a pronounced separation zone in the critical inner deflection area already mentioned in FIG. 5 - between the two rows of profile pipes 8, 9 in the compressed air deflection chamber - is sought; by means of appropriate plate contouring, e.g. B.
  • the compressed air deflection chamber - seen from left to right from the inlet to the outlet side - should be curved in such a curved manner that they are from a first substantially continuous inwardly curved chamber portion T, of, downstream of an inner Umlenkbogenendes U, expands greater on a side bulged chamber part T cross-section, the bulged chamber portion T of is then to the Druckbuchumlenkhunt spilling out on an inwardly retracted KammerteiiT a , whose cross-section on the outlet side is essentially identical to the cross-section on the inflow side of the profile row 8 in T.
  • the subject matter of the invention is not limited to designing all deflection aids or guide plates or aerodynamic baffles at the same time as spacers; it can therefore be provided only partially radially protruding into the compressed air deflection chamber, applied to one or both plates 6, 7 or sheet metal forms 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 compressed air side by means of thermal deformations to compensate and / or to increase the degree of heat exchange by contouring.
  • the contours in question should be designed to be correlated with one another while maintaining the chamber-side wall spacing (e.g. chamber 5, FIG. 4) and the hot gas flow-through wall or plate spacing gap A (FIG. 1).
  • a further design of the heat exchanger includes the possibility of combining corrugated configurations according to FIG. 7 or 8 with the deflection chamber concept according to FIG. 5 or z.
  • 9 embodies a 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; 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; 9, the channel-shaped deflection chambers are formed between mutual half-profile formations 28, 29 of the two adjacent plates 6, 7 in each case.
  • B. provide two fluidically separated channel-shaped deflection chambers and z. B. to open two tubes of a row of matrix tubes in each deflection chamber.
  • channel-shaped deflection chambers communicating with one another in a fluidic manner can also be provided.
  • FIG. 10 illustrates a profile which is advantageously usable in a further embodiment and has a lenticular or lancet-shaped hollow profile in cross section, that is to say an aerodynamically optimized profile which tapered in the direction of the hot gas flow H upstream and downstream on the flow side 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, 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.

Description

Bei Wärmetauschern in einer aus der GB-A-2,130,355 bekannten Bauweise sind die dem Wärmetausch dienenden Matrixprofilrohre von einem 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 orthogonal 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 heat exchangers in a construction known from GB-A-2,130,355, the matrix profile tubes used for heat exchange are initially guided orthogonally from a central supply or distribution tube to the latter and in a straight line into the hot gas-charged space for heat exchange, then follow an arc shape, and finally to be guided orthogonally in the opposite direction 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 Heissgasdruchströmung 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 dieser vorgeschriebenen Stellung ist das System bezüglich seiner aerothermodynamischen 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 einen grossen Anteil der Massenkräfte ihrer weicheren Rohrnachbarn 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 outside 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 this prescribed position with regard to its aerothermodynamic effectiveness. Thermal deformations and buckling effects due to compressive stresses along the axis of the profile tubes - e.g. B. by friction reaction forces in the systems of the spacer - cause the profile tubes to deviate from their structurally predetermined straight extension in the 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 is different in size under the effect of impact loads, namely that the outer pipe brackets are longer and therefore softer than the inner pipe brackets, 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. B. lancet-shaped tubes in the field mutually by spacers, the free deflection of the softer pipe bracket is hindered by its support on the spacers of the stiffer pipe bracket. This means that the stiffer pipe brackets have to support a large proportion of the mass forces of their softer pipe neighbors. In particular, the inner, rigid pipe brackets have to bear the sum of the loads from the hindrance of the deflection of all pipe brackets located further out.

Ein aus der US-A-2,819,883 bekannter Wärmetauscher zeigt, dass es für sich bekannt ist, die Gesamtmatrix in Form eines zwischen zwei Platten eingebetteten, eine Umlenkung eines Fluids gewährleistenden, halbkreisförmigen Rohres ausbilden zu wollen. Vorrangig geht es im bekannten Fall um die Schaffung einer betriebsstabilen Pressschweiss-Verbindung entlang der äusseren Plattenränder.A heat exchanger known from US-A-2,819,883 shows that it is known per se to want to design the overall matrix in the form of a semicircular tube which is embedded between two plates and ensures deflection of a fluid. In the known case, the priority is to create an operationally stable pressure welding connection along the outer plate edges.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, der insbesondere im Hinblick auf den normalerweise kritischen Bogen-oder Umlenkbereich der Matrix einen vergleichsweise hohen Wärmeaustauschgrad und dabei zugleich, insbesondere bezüglich zu erwartender Schwingungs- und Stossbelastungen, eine betriebssichere Halterung und Abstützung der Profilrohrenden ermöglicht.The invention is based on the object of specifying a heat exchanger according to the preamble of patent claim 1, which has a comparatively high degree of heat exchange, in particular with regard to the normally critical arc or deflection area of the matrix, and at the same time, in particular with regard to expected vibration and shock loads, a reliable operation Bracket and support of the profile tube ends enables.

Die gestellte Aufgabe ist mit dem Kennzeichnungsteil 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 also vorgesehen, den äusseren Umlenkabschnitt der Matrix des Profilrohrwärmetauschers aus zwischen Platten eingebetteten Umlenkkammern auszubilden, in denen das aus den orthogonal nach aussen gerichteten Profilrohren einer Rohrschicht oder -reihe austretende Fluid (Druckluft) gesammelt wird und unter Vermischung und Wärmetausch der orthogonal nach innen gerichteten Profilrohrschicht oder -reihe zugeführt wird.It is therefore provided that the outer deflection section of the matrix of the profile tube heat exchanger is formed from deflection chambers embedded between plates, in which the fluid (compressed air) emerging from the orthogonally outward profile tubes of a tube layer or row is collected and with the orthogonal mixing and heat exchange internally directed profile tube 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 in einer Sammelleitung 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, zwischen Platten eingebetteten Umlenkkammern 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 reaktionsweichen Anpassungsmöglichkeit der Profilrohre an Verschiebungen ihrer Einspannstellen, indem die Profilrohre bzw. Profilrohrreihen mit einem in Richtung ihrer Längsachsen kurvenförmigen Verlauf zwischen den Sammelleitungen und den betreffenden Platten des Umlenkabschnittes angeordnet sein können.
  • 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 Platten und eine Abstützung der letzteren an den umgebenden Strukturen (Heissgasgehäuse) vermieden werden.
  • 4. Die äussere Gehäusewand für das Kollektiv von Platten und Umlenkkammern könnte in solch dichtem Abstand ausgeführt werden, dass das die Profilrohre und die Abstandsspalte zwischen den Platten um- bzw. durchströmende Heissgas optimal geführt wird und ein seitlicher Austritt der Heissgasströmung, unter Umgehung des Wärmetauschers, vermieden wird.
  • 5. Indem sich - in weiterer Ausgestaltung der Erfindung - die Rohranzahl einer Profilrohrreihe von derjenigen einer in entgegengesetzter Richtung von Druckluft durchströmten Profilrohrreihe unterscheiden kann, zwecks aerodynamischer Optimierung des Wärmetauschers, lassen sich z. B. unterschiedliche Druckluftdurchströmgeschwindigkeiten in den beiden einander entgegengerichtet durchströmten Profilreihen erzielen.
  • 6. Es sind unterschiedliche Werkstoffe für die beiden einander entgegengerichtet durchströmten Profilreihen einsetzbar. Zur Versteifung und Abstützung gegen die Wirkungen des Innendruckes können gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung an diskreten Stellen zwischen jeweils zwei Platten den Kammerdurchströmquerschnitt definierende, zumindest teilweise als Umlenkhilfen ausgebildete Abstandsstücke angeordnet sein.
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 a manifold 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 group of deflection chambers lying next to one another in layers and embedded between plates can be supported in an adjacent holding device, so that the profile tubes remain largely load-free when subjected to acceleration forces due to impacts and vibrations. This is done in particular with the aid of a reaction-free adaptability of the profile tubes to displacements of their clamping points, in that the profile tubes or rows of profile tubes curve with one in the direction of their longitudinal axes shaped course between the manifolds and the relevant plates of the deflection section can be arranged.
  • 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 achieved by firmly supporting the profile tubes on the plates and supporting the latter on the surrounding structures (hot gas housing). be avoided.
  • 4. The outer housing wall for the collective of plates and deflection chambers could be carried out at such a close distance that the hot gas flowing around or through the profile pipes and the gap between the plates is optimally guided and a side outlet of the hot gas flow, bypassing the heat exchanger , is avoided.
  • 5. By - in a further embodiment of the invention - the number of tubes of a profile tube row can differ from that of a profile tube row through which compressed air flows in the opposite direction, for the aerodynamic optimization of the heat exchanger, z. B. achieve different compressed air flow velocities in the two rows of profiles flowed in opposite directions.
  • 6. Different materials can be used for the two rows of profiles which flow in opposite directions. For stiffening and support against the effects of the internal pressure, according to a further embodiment of the invention, spacers defining the chamber flow cross-section and at least partially designed as deflection aids can be arranged at discrete locations between two plates.

Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können die Abstandsstücke und/oder anderweitige, entlang der inneren Kammerbewandung aufgebrachte Formkörper bzw. Ausprägungen als aerodynamische Schikanen zur Erhöhung des Wärmeaustauschgrades ausgebildet sein.According to an advantageous development of the invention, the spacers and / or other shaped bodies or shapes applied along the inner chamber wall can be designed as aerodynamic baffles to increase the degree of heat exchange.

Die Platten müssen nicht geradwandig glattflächig ausgebildet sein, sondern können z. B. wellenförmig oder reliefartig ausgebildet sein, so dass sie in der Lage sind, auf thermische Verformungen und Verzerrungen weitgehend weich und formstabil zu reagieren. In doppleter Funktion können diese Wellungen und Reliefstrukturen auch zwecks Verbesserung des Wärmeüberganges, und damit zur Erhöhung des Wärmeaustauschgrades ausgebildet sein.The plates do not have to be smooth-walled, but can e.g. B. be wave-shaped or relief-like, so that they are able to respond to thermal deformations and distortions largely soft and stable. In a doubled function, these corrugations and relief structures can also be designed to improve the heat transfer and thus to increase the degree of heat exchange.

In weiterer Ausgestaltung können die Konturierungen der Platten unter Wahrung der kammerseitigen Wandbeabstandung wie auch der gegenseitigen heissgasseitigen Wandbeabstandung miteinander korrelierend ausgebildet sein.In a further embodiment, the contours of the plates can be correlated with one another while maintaining the chamber-side wall spacing as well as the mutual hot gas-side wall spacing.

Nach dem schon erwähnten und erörterten Grundgedanken der Erfindung (Patentanspruch 1) beruhen die zuvor gemachten und auf dem Grundgedanken aufbauenden Erläuterungen auf vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung im Rahmen der Patentansprüche 2 bis 14.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 on advantageous embodiments of the invention within the scope of patent claims 2 to 14.

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-PlattenWärmetauschers,
  • 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 gegenüber 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.
The invention is further explained, for example, with the aid of the drawings; show it:
  • 1 is a perspective and partially broken and essentially 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 is a perspective view of a hot-gas outside, essentially smooth-walled deflection chamber configuration, formed from two plates, 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,
  • FIG. 6 shows the inside view of a deflection chamber half that is modified compared to FIG. 5 in such a way that the chamber is essentially partially eccentrically curved or bulged and an aerodynamically optimized, low-loss deflection is achieved in connection with a corresponding assignment of pin-like spacer elements.
  • 7 shows a perspective illustration of a deflection chamber configuration which is modified from FIGS. 3 and 4 and is formed from two plates and has corrugated structures running in the longitudinal direction of the plate,
  • FIG. 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, FIG.
  • 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 Profilrohrwärmetauscher 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 Umlenkabschnitt 4 ist als ein im Detail später näher erläuterter Plattenwärmetauscher ausgebildet.Fig. 1 illustrates a cross-counterflow design tubular heat exchanger; 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 deflection section 4 is designed as a plate heat exchanger which will be explained in more detail later.

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

Wie im Detail deutlicher z. B. aus Fig. 1 bis 5 hervorgeht, besteht der äussere Umlenkabschnitt 4 der Matrix 3 aus Druckluftumlenkkammern 5, die zwischen Platten 6, 7 eingeschlossen sind, die Platten 6, 7 sind vorzugsweise entlang deren äusserer Ränder fest und fluiddicht miteinander verbunden. An die Platten 6, 7 sind mit den jeweils betreffenden Druckluftumlenkkammern 5 kommunizierende, einander entgegengerichtet von Druckluft D1,D3 durchströmte Profilrohrreihen 8, 9 der Matrix 3 zu- bzw. abfuhrseitig angeschlossen.As more clearly in detail e.g. B. from Fig. 1 to 5, the outer deflection section 4 of the matrix 3 from compressed air deflection chambers 5, which are enclosed between plates 6, 7, the plates 6, 7 are preferably connected to one another along their outer edges in a fixed and fluid-tight manner. Connected to the plates 6, 7 with the respective compressed air deflection chambers 5 communicating, opposing flow of compressed air D 1 , D 3 profile tube rows 8, 9 of the matrix 3 on the supply and discharge side.

Im Betrieb strömt also vorzuwärmende Druckluft D auf einer Seite in die Sammelleitung 1 ein, wird von dort den betreffenden Profilrohrreihen 8 des oberen Matrixblockes zugeführt (D,), dann über die im äusseren Umlenkabschnitt 4 enthaltenen Druckluftumlenkkammern 5 umgelenkt (D2), so dass sie in nunmehr entgegengesetzter Strömungsrichtung in den die betreffenden Profilrohrreihen 9 enthaltenden unteren Matrixblock einströmen kann (D3), aus dem sie dann im aufgeheizten Zustande in die untere Sammelleitung 2 abfliessen kann, um dann schliesslich einen geeigneten Verbraucher, z. B. der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes, zugeführt zu werden (D4).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 profile tubes 8 of the upper matrix block (D,), then deflected via the compressed air deflection chambers 5 contained in the outer deflection section 4 (D 2 ), so that it can now flow in the opposite flow direction into the lower matrix block containing the relevant profile tube rows 9 (D 3 ), from which it can then flow out into the lower manifold 2 in the heated state, in order to then finally a suitable consumer, e.g. B. the combustion chamber of a gas turbine engine to be supplied (D 4 ).

Gemäss Fig. 1 kragt der äussere Umlenkabschnitt 4 gegen eine seitliche, die Führung von Heissgasanteilen H' in letzteren (4) unterstützende Gehäusewand 10 aus. Dabei werden die betreffenden Platten 6, 7 entlang deren Aussenflächen - siehe auch z. B. Fig. 3 und 4-von den Heisgasanteilen 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' zwischen den Platten 6, 7.According to FIG. 1, the outer deflection section 4 protrudes against a lateral housing wall 10 which supports the guiding of hot gas portions H 'in the latter (4). The relevant plates 6, 7 are along their outer surfaces - see also z. B. Figs. 3 and 4 - flows around from the 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 flow H 'between the plates 6, 7, which are shown here relatively large.

Demnach ist also auch der gesamte äussere 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.Accordingly, the entire outer deflection section 4 of the matrix 3 can also be included in a targeted, homogeneous heat exchange process which provides the required 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 in Fig. 1, rechts, abgebrochen dargestellten Profilrohrmatrixsektionen selbstverständlich eine erfindungsgemässe Matrixumlenksektion als Plattenkonzept nebst relevanter Gehäuseummantelung gemäss Fig. 1, links ansgeschlossen sein kann.According to FIG. 1, it is assumed that the profile tube matrix sections shown broken off in FIG. 1, right, can of course be connected to the left according to a matrix deflection section according to the invention as a plate concept along with relevant housing sheathing according to FIG. 1.

Der Erfindungsgegenstand ist aber auch dann bereits vorteilhaft praktikabel, wenn nur eine einseitig von den betreffenden Sammelleitungen 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 collecting lines 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 einschliessenden Platten, z. B. 6', matrixprofilein- bzw. -austrittsseitig abgeschrägte Endflächen 11, 12 auf. In Entsprechung zur dort aussenflächenseitig gerundeten Kontur des äusseren Umlenkabschnitts 4' ist die angrenzende Gehäusewand 10' ausgewölbt. Zur Abdichtung des Heissgasleckspaltes 13-zwischen Gehäusewand 10' und äusserem Umlenkabschnitt 4'―sind Bürstendichtungen 14, 15 bewegungskompensatorisch ausgebildet und an der Gehäusewand 10' angeordnet. Die Borsten der Bürstendichtungen 14, 15 schmiegen sich stets abdichtend an betreffende, die Abstandsspalte A für das Heissgas (Fig. 1) nach aussen abdichtende Endflächen bzw. eine mit dem äusseren 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 enclosing the deflection chambers 5, e.g. B. 6 ', matrix profile entry or exit side beveled end faces 11, 12. Corresponding to the contour of the outer deflecting section 4 ′ rounded there on the outer surface side, the adjacent housing wall 10 ′ is curved. To seal the hot gas leakage gap 13 between the housing wall 10 'and the outer deflection section 4' ―, brush seals 14, 15 are designed to compensate for movement and are arranged on the housing wall 10 '. The bristles of the brush seals 14, 15 always nestle tightly against the relevant end gaps (A) for the hot gas (FIG. 1), which seal against the outside or one with the outer deflection section 4 'or its plates - here 6', 7'― connected guide wall 16. 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. B. the relevant plates 6, 7 are substantially smooth-walled outside. The representative symbols for the hot gas flow H 'and the respective compressed air flow D 1 , D 3 which can be seen from FIG. 1 have also been transferred 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 Druckluftumlenkkammer 5 einmündenden Profilrohrreihen 8 bzw. 9 der Matrix 3.In particular, FIG. 4 explains in the way of the cut-open plate-chamber section the form-fitting and fluid-tight gripping possibility provided from the local plate bulges 21, 22 and - formation of the profile tube rows 8 and 9 of the matrix 3 that open locally into the relevant compressed-air 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 of a profile tube row 8 here z. B. is greater than the number of tubes of 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 jeweils zwei benachbarten Platten 6, 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 Strömungsumlenkung D, 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 Profilrohrreihen 8, 9 liegende «kritische» Umlenkzone, in der - ohne derartige oder ähnliche Bleche oder Zapfen - eine verhältnismässig ausgeprägte Ablösungszone zu erwarten wäre.Using the same reference numerals for essentially unchanged basic components, FIG. 5 embodies a deflection chamber configuration in which spacers designed as deflection aids primarily define the chamber throughflow cross section at discrete locations between two adjacent plates 6, 7 (FIG. 1, 3 or 4), e.g. B. pin 23 or baffles 24 or straight guide elements 25 are provided. In order to achieve a flow deflection D 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 vortex or even recirculation zones (arrows S) which are pronounced at certain points and which are local Serve to increase the compressed air residence time in the interest of a high degree of heat exchange; With regard to the arrows S, this is the “critical” deflection zone between the two rows of profile tubes 8, 9, in which - without such or similar sheets or pins - a relatively pronounced separation zone would be expected.

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 Profilrohrreihen 8, 9 in der Druckluftumlenkkammer - angestrebt; im Wege entsprechender Plattenkonturierung, z. B. 7", bzw. Umlenkkammerkonturierung sowie im Benehmen mit enstprechend örtlich verteilter Anordnung der hier stiftartigen Abstandsmittel 23 im dargestellten Bild aus Strom-und Potentiallinien soll hierzu die Druckluftumlenkkammer-von links nach rechts gesehen ­von der Eintritts- nach der Austrittsseite bogenförmig derart gekrümmt sein, dass sie von einem zunächst im wesentlichen kontinuierlich einwärts gekrümmten Kammerteil T, aus, stromab eines inneren Umlenkbogenendes U, sich auf einen einseitig ausgebauchten Kammerteil T grösseren Querschnitts erweitert; vom ausgebauchten Kammerteil T aus soll dann die Druckluftumlenkkammer auf einen nach innen eingezogenen KammerteiiTa auslaufen, dessen austrittsseitiger Querschnitt im wesentlichen mit dem zuströmseitigen Querschnitt an der Profilreihe 8 in T, identisch ist.According to FIG. 6, a flow deflection that is as homogeneous as possible, with the primary avoidance of a pronounced separation zone in the critical inner deflection area already mentioned in FIG. 5 - between the two rows of profile pipes 8, 9 in the compressed air deflection chamber - is sought; by means of appropriate plate contouring, e.g. B. 7 ", or Umlenkkammerkonturierung and in behavior with a corresponding locally distributed arrangement of the pin-like spacing means 23 in the illustrated image from current and potential lines, the compressed air deflection chamber - seen from left to right from the inlet to the outlet side - should be curved in such a curved manner that they are from a first substantially continuous inwardly curved chamber portion T, of, downstream of an inner Umlenkbogenendes U, expands greater on a side bulged chamber part T cross-section, the bulged chamber portion T of is then to the Druckluftumlenkkammer spilling out on an inwardly retracted KammerteiiT a , whose cross-section on the outlet side is essentially identical to the cross-section on the inflow side of the profile row 8 in T.

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

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

Derartige, z. B. auf den betreffenden Heissgas-und Druckluftseiten befindliche 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, H' verlaufend ausgebildet sind; in Fig. 8 sind die betreffenden wellenförmigen Konturierungen 27 quer gegen die Heissgasströmungsrichtung H, H' verlaufend ausgebildet.Such, e.g. B. Wavy or relief-like contours located 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, H '; In FIG. 8, the relevant wavy contours 27 are designed to run transversely to the hot gas flow direction H, H '.

In zweckmässiger Ausbildung sollen die betreffenden Konturierungen unter Wahrung der kammerseitigen Wandbeabstandung (z. B. Kammer 5, Fig. 4) wie auch der heissgasdurchströmseitigen Wand- bzw. Plattenabstandsspalte A (Fig. 1) miteinander korrelierend ausgebildet sein.In an appropriate design, the contours in question should be designed to be correlated with one another while maintaining the chamber-side wall spacing (e.g. chamber 5, FIG. 4) and the hot gas flow-through wall or plate spacing gap A (FIG. 1).

Eine weitere Ausbildung des Wärmetauschers 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 Umlenkabschnitt 4 der Matrix 3 vorzusehen. Fig. 9 verkörpert ein Konzept, bei dem mehrere fluidisch voneinander getrennte kanalförmige Umlenkkammern zwischen je zwei Platten 6, 7 des Matrixumlenkabschnitts 4 angeordnet sind; dabei ist die Anzahl der kanalförmigen Umlenkkammern auf die Anzahl der darin einmündenden Rohre einer Matrixprofilreihe 8 bzw. 9 abgestimmt; ferner werden in Fig. 9 die kanalförmigen Umlenkkammern zwischen gegenseitigen Halbprofilausformungen 28, 29 der jeweils beiden benachbarten Platten 6, 7 ausgebildet.A further design of the heat exchanger includes the possibility of combining corrugated configurations according to FIG. 7 or 8 with the deflection chamber concept according to FIG. 5 or z. B. corrugated concepts according to FIGS. 7 and 8 each in an alternating sequence with a deflection section 4 of the matrix 3. 9 embodies a 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; 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; 9, the channel-shaped deflection chambers are formed between mutual half-profile formations 28, 29 of the two adjacent plates 6, 7 in each case.

Nicht weiter dargestellt, besteht ferner die Möglichkeit, z. B. zwei fluidisch voneinander getrennte kanalförmige Umlenkkammern vorzusehen und z. B. in jede Umlenkkammer zwei Rohre einer Matrixprofilrohrreihe einmünden zu lassen.Not shown further, there is also the possibility, for. B. provide two fluidically separated channel-shaped deflection chambers and z. B. to open two tubes of a row of matrix tubes in each deflection chamber.

Je nach Bedarf können aber auch teilweise fluidisch miteinander kommunizierende kanalförmige Umlenkkammern vorgesehen sein.Depending on the requirements, channel-shaped deflection chambers communicating with one another in a fluidic manner can also be provided.

Fig. 10 veranschaulicht ein in weiterer Ausgestaltung vorteilhaft einsetztbares, im Querschnitt linsen- oder lanzettenförmiges Hohprofil, 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 profile which is advantageously usable in a further embodiment and has a lenticular or lancet-shaped hollow profile in cross section, that is to say an aerodynamically optimized profile which tapered in the direction of the hot gas flow H upstream and downstream on the flow side for the respective profile tube rows 8 and 9 of the matrix 3 (FIG . 1).

Fig. 11 verkörpert eine weitere Ausbildung, 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 Umlenkabschnitts 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 von 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 entwikkeln. 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 Lanzettenrohrquerschnitts 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 Verbierung 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.
11 embodies a further embodiment, according to which the profiled tubes or rows of profiled tubes, here illustrated in the way of the upper rows of profiled tubes 8, with a periodically curved course in the direction of their longitudinal axes between the collecting lines, here the upper collecting line 1 and the plates 6 concerned, 7 of the deflection section 4 are arranged. Spacers between the profile tubes are designated by 30. The following in detail: The lancet tube receives more degrees of freedom due to the curve of the longitudinal axis, which sweeps periodically to both sides, in order to react smoothly to shifts, 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 displacements of 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 specified by the shape of the curve. Depending on the extent of the lateral protrusion 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 be bent around its transverse axis with the greatest section modulus and correspondingly large reaction forces would develop. 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 off flow along the lancet tube cross-section, higher material temperatures occur on the leading edge than on the downstream side. The resulting different thermal longitudinal expansion of the lancet tube would cause the profile tube to be verbated 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 the position in the flow field that is structurally predetermined for it, 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 auf die höhere Temperatur verbiegt.In such a case, the lancet tube with its periodically changing curve shape is pushed far less from its position. Although the leading and trailing edges also experience different thermal longitudinal expansions, following the law of the curve shape, 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 (15)

1. Heat exchanger having a cross counter-flow profiled tube matrix (3) projecting transversely into a hot gas main flow (H), in which matrix one set of ends of rows of profiled tubes (8 or 9) extending substantially parallel to each other, spaced apart, and with the flow in opposite directions to each other, is connected by means of an outer deflection portion (4), and the other set of ends on the supply and discharge side respectively are connected with collecting lines (1 or 2) for pressure air, arranged substantially in parallel next to each other, characterised in that
- the deflection portion (4) comprises pressure air deflection chambers (5) enclosed between plates (6, 7), these chambers being connected with the one set of ends of the rows of profiled tubes (8 or 9),
- the plates (6, 7), by virtue of spacing gaps (A), are swept along the outer surfaces of portions (H') by the hot gas main flow (H),
- the deflection portion (4) extends outwardly against a housing wall (10) maintaining the guidance of the hot gas portions (H') in the latter.
2. Heat exchanger according to claim 1, characterised in that at distinct points between two respective plates (6,7) spacers (23,24) are arranged which define the chamber throughflow cross section and are formed at least partially as deflection aids.
3. Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterised in that the spacers and/or other shaped bodies or pressings provided along the inner chamber wall are formed as aerodynamic chicanes to increase the degree of heat exchange.
4. Heat exchanger according to one or more than one of claims 1 to 3, characterised in that the plates (6, 7) forming the deflection chambers (5) are equipped on the hot gas- and/or pressure airside with contourings (26, 27) compensating heat deformations and/or increasing the degree of heat exchange.
5. Heat exchanger according to claim 4, characterised in that the contourings are wavy or embossed.
6. Heat exchanger according to claim 4 or 5, characterised in that the contourings of the plates (6, 7) are constructed to correlate with each other whilst retaining the chamber-side wall spacing and also the opposite hot gas throughflow-side wall spacing.
7. Heat exchanger according to one or more than one of claims 1 to 6, characterised in that the profiled tubes or rows of profiled tubes (8, 9) of the matrix (3) are arranged with a curved path in the direction of their longitudinal axes between the relevant collecting lines (1, 2) and the relevant plates (6, 7) of the deflection portion (4).
8. Heat exchanger according to one or more than one of claims 1 to 7, characterised in that the pressure air inlet- or outlet-side ends of relevant rows of matrix profiled tubes (8, 9) are secured in form-fitting and fluid-tight manner between end sections of the respective two plates (6, 7) of a deflection chamber (5) which are mutually correspondingly preformed.
9. Heat exchanger according to one or more than one of claims 1 to 8, characterised in that several duct-like deflection chambers, fluidically at least partially separated from each other, are enclosed between two plates (6, 7) of the deflection portion (4).
10. Heat exchanger according to claim 9, characterised in that the number of duct-like deflection chambers is determined by the number of matrix profiled tubes opening into them or the number of tubes in a row of profiled tubes (8, 9).
11. Heat exchanger according to claim 9 or 10, characterised in that the duct-like deflection chambers are formed from mutual semi-profiled deformations (28, 29) of two adjacent plates (6,7).
12. Heat exchanger according to one or more than one of claims 1 to 11, characterised in that the hollow profiled bodies have a profile which is circular or lancet-shaped or lens-shaped, aerodynamically optimised, and tapered on the up- and downstream side in the direction of the hot gas flow (Fig. 10).
13. Heat exchanger according to claim 1, characterised in that the number of tubes of one profiled row (8) is different from that of the profiled row (9) through which pressure air flows in the opposite direction (Fig. 3, 7 and 8).
14. Heat exchanger according to one or more than one of claims 1 to 13, characterised in that with appropriate assignment of the spacer elements, e. g. pins (23), providing the deflection and the heat exchange process, the deflection chamber is curved in an arc from the inlet side to the outlet side so that from a chamber portion (T,) which is first of all substantially continuously curved, on the downstream side of an inner deflection arc end (U), it widens out to a chamber portion (T2) of larger cross section bulging out on one side, and from there extends to a chamber portion (T3) reduced on the inside, the outlet side-cross section of which is substantially identical to the flow-in side cross section of the deflection chamber (Fig. 6).
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