EP0265726A1 - Heat exchanger - Google Patents

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EP0265726A1
EP0265726A1 EP19870114629 EP87114629A EP0265726A1 EP 0265726 A1 EP0265726 A1 EP 0265726A1 EP 19870114629 EP19870114629 EP 19870114629 EP 87114629 A EP87114629 A EP 87114629A EP 0265726 A1 EP0265726 A1 EP 0265726A1
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EP
European Patent Office
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matrix
profile
profile tube
heat exchanger
tube
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EP19870114629
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German (de)
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EP0265726B1 (en
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Klaus Hagemeister
Alfred Hueber
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MTU Aero Engines GmbH
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/06Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits having a single U-bend
    • YGENERAL 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
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00Heat exchange
    • Y10S165/355Heat exchange having separate flow passage for two distinct fluids
    • Y10S165/40Shell enclosed conduit assembly
    • Y10S165/427Manifold for tube-side fluid, i.e. parallel
    • Y10S165/436Bent conduit assemblies
    • YGENERAL 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
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00Heat exchange
    • Y10S165/91Tube pattern

Abstract

Es ist ein Wärmetauscher mit einer quer gegen eine Heißgasströmung U-förmig auskragenden, aus räumlich ineinander verschachtelten Profilrohrbügeln (6) zusammengesetzten Kreuz-Gegenstrom-Matrix vorgesehen, die über zwei geradschenkelige, in einen bogenförmigen Umlenkbereich auslaufende Matrixstränge (3) an zwei im wesentlichen parallel nebeneinander und quer zur Matrix angeordnete Druckluft-Rohrführungen (1, 2) angeschlossen ist; dabei sollen die Profilrohrbügel im bogenförmigen Umlenkbereich (6) der Matrix in geringerem gegenseitigen Abstand angeordnet sein als in den geradschenkelig verlaufenden Matrixsträngen (4, 5). Auf diese Weise soll der Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozeß im Bogenbereich der Matrix optimiert und ferner eine homogenere Heißgasmassenstromverteilung über die Gesamtmatrix erreicht werden.A heat exchanger is provided with a cross-countercurrent matrix protruding in a U-shaped manner against a hot gas flow and made up of spatially nested profile tube brackets (6), which crosses two parallel legs via two straight-legged matrix strands (3) that run into an arcuate deflection area Compressed air pipe guides (1, 2) arranged next to one another and transversely to the matrix are connected; the profile tube brackets should be arranged in the arcuate deflection area (6) of the matrix at a smaller mutual distance than in the straight-legged matrix strands (4, 5). In this way, the cross-countercurrent heat exchange process in the arc region of the matrix is to be optimized and, moreover, a more homogeneous hot gas mass flow distribution over the entire matrix is to be achieved.

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.
  • Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der GB-OS 2,130,355 bekannt.Such a heat exchanger is known from GB-OS 2,130,355.
  • Bei derartigen Profilrohr-Wärmetauschern der Kreuz-Gegenstrom-Bauweise, bestehend aus einem Kollektiv von Rohrbügeln, die ein geordnetes Matrixfeld bilden, lassen sich im Hinblick auf die Durchströmung zwei Matrix-Bereiche unterscheiden:With such cross-counter-flow profile tube heat exchangers, consisting of a collective of tube brackets that form an ordered matrix field, two matrix areas can be distinguished with regard to the flow:
  • Der Bereich der im wesentlichen geradlinigen Schenkel, der den eigentlichen und regulär durchströmten Bereich des Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschers darstellt, und außerdem der bei dieser Bauweise aus konstruktiven Gründen notwendige Bogenbereich, in dem die dem gekrümmten Verlauf der Rohrbögen folgenden Profilrohre von dem außen geradlinig, quer strömenden Fluid (Heißgas) in örtlich unterschiedlicher Richtung umströmt werden.The area of the essentially straight legs, which represents the actual and regularly flowed area of the cross-countercurrent heat exchanger, and also the bend area required for constructional reasons in this construction, in which the profile pipes following the curved course of the pipe bends from the outside in a straight line, cross-flowing fluid (hot gas) are flowed around in locally different directions.
  • Die gegenseitige Stellung der Profilrohre im Strömungsfeld der Wärmetauschermatrix wird durch die Erfordernisse der Querströmung im Schenkelbereich der Rohrbügel bestimmt. Diese Zuordnung bleibt auch im Verlaufe der gekrümmten Rohrführung im Bogenbereich erhalten. Da das Außenmedium (Heißgas) jedoch auch hier im wesentlichen der Richtung der Querströmung, wie sie im Schenkelbereich vorherrscht, folgt, trifft es dabei örtlich auf Strömungsquerschnitte, die erheblich von denen des Schenkelbereiches abweichen.The mutual position of the profile tubes in the flow field of the heat exchanger matrix is determined by the requirements of the cross flow in the leg region of the tube bracket. This assignment is retained in the course of the curved pipe routing in the bend area. However, since the external medium (hot gas) also essentially here the direction of the cross flow, as it prevails in the leg area, local flow cross sections that differ considerably from those of the leg area are encountered.
  • Besonders deutlich wird das beim Vergleich der effektiv offenen Strömungsquerschnitte des regulär durchströmten Schenkelbereiches mit denen im Zenit der Rohrbögen, in dem das Rohrfeld demgegenüber um 90° gedreht zur Außen-bzw. Heißgasströmung verläuft.This becomes particularly clear when comparing the effectively open flow cross-sections of the leg area through which the flow flows regularly with those at the zenith of the pipe bends, in which the pipe field is rotated by 90 ° to the outside or outside. Hot gas flow runs.
  • Demzufolge ergibt sich der Nachteil, daß das Heißgas bevorzugt durch den Bogenbereich strömt, wodurch eine unerwünschte Verschiebung der Massenstromverteilung zu Gunsten dieses Bereiches erfolgt.As a result, there is the disadvantage that the hot gas flows preferentially through the arc region, as a result of which an undesirable shift in the mass flow distribution takes place in favor of this region.
  • Die Gründe für diesen Nachteil lassen sich im Detail weiter wie folgt beschreiben:
    - Zerlegt man die Querströmung des außen strömenden Heißgases gedanklich in Stromröhren gleichen Querschnitts, so treffen Stromröhren des Bogenbereiches auf effektiv offene Querschnitte, die größer sind als diejenigen im regulär durchströmten Bereich, der durch die geradlinig verlaufenden Matrixstränge charakterisiert ist.
    - Im äußeren Gebiet des Bogenbereiches der Matrix ist der Weg der Strömung kürzer (ca. der Länge der Sehne des jeweiligen Bogenabschnittes entsprechend) und daher der Strömungswiderstand geringer.
    - Im Bogenbereich sind die hydraulischen Durchmesser der Heißgaspassagen größer und deshalb die Strömungswiderstände vergleichsweise geringer.
    - Der Charakter der Wandströmung des Heißgases entlang der Profilrohre ist im Bogenbereich - gegenüber dem regulär durchströmten Bereich - anders, da die Lauflänge der Grenzschicht längs der Profilrohre länger ist. Demgegenüber werden im regulär durchströmten Bereich die Grenzschichten beim Wechsel vom einen umströmten Profil zum in Richtung der Querströmung nachgeordneten weiteren Profil ständig neu aufgebaut.
    The reasons for this disadvantage can be described in more detail as follows:
    - If the lateral flow of the hot gas flowing outside is mentally broken down into flow tubes of the same cross-section, then flow tubes of the bend area meet effectively open cross-sections that are larger than those in the regularly flowed area, which is characterized by the straight-line matrix strands.
    - In the outer area of the arc area of the matrix, the path of the flow is shorter (corresponding approximately to the length of the chord of the respective arc section) and therefore the flow resistance is lower.
    - In the bend area, the hydraulic diameters of the hot gas passages are larger and therefore the flow resistance is comparatively lower.
    - The character of the wall flow of hot gas along the profile tubes is different in the bend area - compared to the area with regular flow - because the length of the boundary layer along the profile tubes is longer. In contrast, the boundary layers in the area with regular flow are constantly being rebuilt when changing from a flow around a profile to a further profile downstream in the direction of the cross flow.
  • Ein weiterer wesentlicher Nachteil vorstehend behandelter bekannter Wärmetaucherkonzepte ist es, daß über verhältnismäßig weite Teile des Matrixbogenbereiches kein exakt definierbarer Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozeß realisierbar ist.Another major disadvantage of the known heat exchanger concepts discussed above is that no exactly definable cross-countercurrent heat exchange process can be implemented over relatively large parts of the matrix arc region.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, der insbesondere im Hinblick auf die Ausbildung des bogenförmigen Matrixumlenkbereiches einen vergleichsweise hohen Wärmeaustauschgrad ermöglicht.The invention has for its object to provide a heat exchanger according to the preamble of claim 1, which enables a comparatively high degree of heat exchange, in particular with regard to the formation of the arcuate matrix deflection area.
  • Die gestellte Aufgabe ist durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.The stated object is achieved according to the invention by the features of the characterizing part of patent claim 1.
  • Mit der angegebenen Lösung kann also die eingangs zu Bekanntem erwähnte ungleichförmige Heißgas-Massenstromverteilung zwischen den geradschenkeligen Sektionen der Matrix und dem Matrixbereich vergleichmäßigt werden.With the solution given, the nonuniform hot gas mass flow distribution between the straight-leg sections of the matrix and the matrix area can be evened out.
  • Indem im Bogenbereich das Feld der Profilrohre enger gestaffelt werden kann, kann also der örtliche Heißgasstrom im Bogenbereich der Matrix den Notwendigkeiten einer örtlich angeglichenen Wärmetauscherleistung angepaßt werden.Since the field of profile tubes can be staggered in the bend area, the local hot gas flow in the bend area of the matrix can meet the requirements be adapted to a locally matched heat exchanger capacity.
  • Gemäß der Erfindung kann ferner der höchste Grad der Profilrohrfeldverdichtung entlang einer gemeinsamen bogenmeridianen Geraden bzw. auf einem im wesentlichen senkrecht zur Heißgashauptströmungsrichtung liegenden Vektor des Bogenradius erreicht werden; vor und hinter diesem Vektor bzw. der Ebene (Bogenmeridianebene), in der die kreis- bzw. bogenmeridianen Geraden liegen, kann die betreffende Profilrohrpackungsdichte den Erfordernissen gemäß weniger intensiv ausgebildet sein.According to the invention, the highest degree of profile tube field compression can also be achieved along a common arc meridian straight line or on a vector of the arc radius lying essentially perpendicular to the main direction of hot gas flow; In front of and behind this vector or the plane (arc meridian plane) in which the circular or arc meridian lines lie, the profile tube packing density in question can be designed to be less intensive according to the requirements.
  • Gemäß der Lehre nach der Erfindung kann also den z. B. durch unterschiedliche Krümmungsradien erzeugten Profilrohrbögen nicht - wie bisher üblich - ein gemeinsamer Kreismittelpunkt zugeordnet sein; vielmehr können z. B. die den unterschiedlichen Krümmungsradien zugehörigen Kreismittelpunkte fortlaufend von innen nach außen versetzt auf den betreffenden kreismeridianen Geraden bzw. auf der zuvor erwähnten gemeinsamen Bogenmeridianebene angeordnet sein.According to the teaching of the invention, the z. B. profile pipe bends generated by different radii of curvature are not - as was previously customary - assigned to a common center of the circle; rather z. B. the circle centers associated with the different radii of curvature can be continuously offset from the inside to the outside on the relevant circular meridian straight line or on the aforementioned common arc meridian plane.
  • Im Rahmen der Erfindung können ferner die den geradschenkeligen Bereich der Matrix ausbildenden Profilrohrabschnitte mit den erforderlichen gleichförmigen gegenseitigen Abständen - sei es über-oder nebeneinander - im Heißgasstrom angeordnet werden.Within the scope of the invention, the profile tube sections forming the straight-leg region of the matrix can also be arranged in the hot gas flow with the required uniform mutual spacings - be it one above the other or next to one another.
  • Im Rahmen der Erfindung gelingt es außerdem, zusätzliche geradschenkelige Profilrohrlängen zu gewinnen, indem - pro in einer gemeinsamen Ebene übereinander gestaffelt angeordnetem Profilrohrfeld - die betreffenden Ausgangs basen der die Bögen beispielsweise darstellenden Halbkreise in einer schrägen Ebene liegen, die z. B. durch die Kreismittelpunktsdifferenz zwischen den kleinsten (innen) und dem größten Bogenradius (außen) entsteht.Within the scope of the invention, it is also possible to gain additional straight-legged profile tube lengths by - for each profile tube field which is staggered one above the other in a common plane - the relevant output bases of the semicircles representing the arcs, for example, lie in an inclined plane which, for. B. arises from the circle center point difference between the smallest (inside) and the largest arc radius (outside).
  • Der erwähnte Profilrohrlängengewinn führt ferner zu einer gleichmäßigen Verteilung des Strömungswiderstandes innerhalb der Profilrohre, da die Länge des Strömungsweges der weiter innen liegenden Rohrbügel der Matrix vergrößert und diejenige der weiter außen liegenden Rohrbügel hingegen nahezu unverändert bleibt.The above-mentioned increase in profile tube length also leads to a uniform distribution of the flow resistance within the profile tubes, since the length of the flow path of the tube brackets located further inside increases the matrix and that of the tube brackets located further outside remains almost unchanged.
  • Vorzugsweise ist es erfindungsgemäß ferner vorgesehen bzw. möglich, daß die weiter außen liegenden Rohrbügel im Bogenbereich der Matrix, also diejenigen Rohrbügel mit vergleichsweise großen Biegeradien, stärker ineinander gestaffelt angeordnet sind, als diejenigen inneren Rohrbügel mit den vergleichsweise kleinen Biegeradien.It is also preferably provided or possible according to the invention that the pipe brackets located further out in the bend region of the matrix, that is to say those pipe brackets with comparatively large bending radii, are arranged more staggeredly than one another than those inner pipe brackets with the comparatively small bending radii.
  • Das quer durch die Matrix strömende Heißgas findet dann insbesondere im Zenit des Bogenbereiches an diesen Stellen geringe Durchströmquerschnitte vor und wird deshalb veranlaßt, mehr in die tiefer liegenden Gebiete des Bogenbereiches - also in Richtung auf die Bügel mit den kleineren Biegeradien - auszuweichen. Damit erfolgt die Durchströmung des Bogenbereiches nicht mehr allein längs der Sehnen der Kreisbögen, sondern es entsteht -vorzugsweise an den äußeren Bögen mit größerem Radius -eine starke Querströmungskomponente. Das in diesem Falle besonders stark verdichtete Gebiet im Zenit der Bögen außen stellt damit den Kern einer nur schwach durchströmten Zone dar.The hot gas flowing across the matrix then finds small flow cross-sections at these points, particularly in the zenith of the arch area, and is therefore caused to move more into the lower-lying areas of the arch area - that is, towards the brackets with the smaller bending radii. As a result, the flow through the arch region no longer occurs solely along the chords of the circular arches, but rather a strong cross-flow component arises — preferably on the outer arches with a larger radius. The area in the zenith of the arches, which is particularly densely compacted in this case, thus represents the core of a zone with a low flow.
  • Diese schwach durchströmte Zone kann - vom äußersten Bogenrand der Profilrohre ausgehend - die natürliche Profilrohrkrümmung etwa pilzförmig entgegengerichtet gekrümmt überschneiden. Bezüglich des Matrixbogenbereiches umströmt also die Hauptmasse der Heißgase die pilzförmige Zone und fördert somit eine zusätzliche Heißgasquerumströmung der Profilrohre zu Gunsten eines insbesondere auch im äußeren Bogenbereich möglichen Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozesses.This weakly flowed zone can - starting from the outermost arch edge of the profile tubes - overlap the natural profile tube curvature in an approximately mushroom-shaped direction. With regard to the matrix arc area, the main mass of the hot gases flows around the mushroom-shaped zone and thus promotes an additional hot gas cross-flow around the profile tubes in favor of a cross-countercurrent heat exchange process, which is also possible in particular in the outer arc area.
  • Eine weitere vorteilhafte Folge dieser zuletzt genannten Anordnung ist es, daß eine gehäuseseitige Abdeckung oder eine Berandungsleitwand auf ein verhältnismäßig schmales Gebiet im Zenit des Matrixbogens beschränkt werden kann.Another advantageous consequence of this last-mentioned arrangement is that a housing-side cover or a boundary guide wall can be restricted to a relatively narrow area in the zenith of the matrix arch.
  • Vorteilhafte Ausgestal tungen der Erfindung gehen aus den Patentansprüchen 2 bis 11 hervor.Advantageous developments of the invention emerge from claims 2 to 11.
  • Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:
    • Fig. 1 ein der Erfindung zugrundeliegendes Wärmetauscherkonzept in perspektivischer, schematischer sowie teilweise aufgeschnittener Darstellung,
    • Fig. 2 die zur Hälfte sowie matrixseitig teilweise durchbrochen dargestellte Frontansicht eines Wärmetauschers, worin eine erste Ausführungsform der Erfindung verdeutlicht ist,
    • Fig. 3 einen gemäß III-III der Fig. 2 gesehenen Teilschnitt geradschenkeliger Abschnitte der Profilrohrbügel, worin die reguläre Staffelung der Profilrohrbügel verdeutlicht ist,
    • Fig. 4 einen gemäß IV-IV gesehenen Teilschnitt im Bogenbereich liegender Abschnitte der Profilrohrbügel, worin die deutlich engere Staffelung der Rohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene der Matrix verdeutlicht ist,
    • Fig. 5 die Frontansicht der kompletten linken Wärmetauscherhälfte unter Berücksichtigung der sich im Sinne der ersten Ausführungsform nach Fig. 2, 3 und 4 ausbildenden Heißgasdurchströmung der geradschenkeligen Matrixstränge und des Matrixbogen- bzw. -umlenkbereiches,
    • Fig. 6 die Frontansicht einer kompletten rechten Wärmetauscherhälfte in Rohrbügeldetailausbildung und -anordnung für eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit entlang der Bogenmeridianebene - von innen nach außen gesehen - sich zunehmend verringernder Profilrohrbeabstandung,
    • Fig. 7 einen Matrixbogenprofilrohr-Teilschnitt gemäß VII-VII der Fig. 6 sowie in besagter Bogenmeridianebene der Matrix verlaufend,
    • Fig. 8 die Frontansicht einer kompletten rechten Wärmetauscherhälfte in Rohrbügeldetailausbildung und -anordnung für eine dritte Ausführungsform der Erfindung unter Einschluß im Matrixbogenbereich überwiegend elliptisch gekrümmter Profilrohrabschnitte und sich dabei - von innen nach außen gesehen -fortlaufend gegenseitig sich verringernder Profilrohrabstände,
    • Fig. 9 einen Matrixbogenprofilrohr-Teilschnitt gemäß IX-IX der Fig. 8 sowie in besagter Bogenmeridianebene der Matrix verlaufend,
    • Fig. 10 einen der Ansicht nach Fig. 4 entsprechenden Matrixbogenprofilrohr-Teilschnitt unter Verdeutlichung einer gegenseitigen Profilrohrabstützung durch gegenseitig profilseitig eingebrachte Ausbauchungen und
    • Fig. 11 ein für die Ausbauchungsherstellung geeignetes, schematisch dargestelltes Formwerkzeug.
    The invention is further explained, for example, with the aid of the drawings; show it:
    • 1 shows a heat exchanger concept on which the invention is based in a perspective, schematic and partially cut-open representation,
    • 2 shows the front view of a heat exchanger, half of which is partially broken and on the matrix side, in which a first embodiment of the invention is illustrated,
    • 3 is a partial section according to III-III of FIG. 2 of straight-leg sections of the profile tube bracket, in which the regular staggering of the profile tube bracket is illustrated,
    • 4 shows a partial section according to IV-IV, in the bend area, of sections of the profile tube bracket, in which the clearly narrower staggering of the tube bracket in the common arc meridian plane of the matrix is illustrated,
    • 5 shows the front view of the complete left heat exchanger half, taking into account the hot gas flow through the straight-leg matrix strands and the matrix arc or deflection area, which is formed in the sense of the first embodiment according to FIGS. 2, 3 and 4,
    • 6 shows the front view of a complete right heat exchanger half in tube bracket detail formation and arrangement for a second embodiment of the invention with a progressively decreasing profile tube spacing along the arc meridian plane - seen from the inside outwards,
    • 7 shows a partial section of a matrix elbow profile pipe according to VII-VII of FIG. 6 and in the said arc meridian plane of the matrix,
    • 8 shows the front view of a complete right heat exchanger half in the design and arrangement of tube brackets for a third embodiment of the invention, including in the matrix arc region predominantly elliptically curved profile tube sections and thereby - seen from the inside outwards - continuously decreasing profile tube distances,
    • 9 shows a partial section of a matrix arc tube section according to IX-IX of FIG. 8 and in the said arc meridian plane of the matrix,
    • Fig. 10 is a view corresponding to Fig. 4 corresponding to a section of a section of a section of a section of an elbow profile tube, illustrating a mutual profile tube support by means of bulges and profile sides
    • 11 shows a schematically illustrated molding tool suitable for bulge production.
  • Die Erfindung geht von einem Wärmetauscher nach Fig. 1 aus, der aus zwei im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten Druckluftführungen 1, 2 besteht, die hier z. B als separate Verteiler- bzw. Sammelrohre ausgebildet sind. Gemäß abgedunkelter Kontur sind die Druckluftführungen 1, 2 am jeweils hinteren Ende verschlossen ausgebildet. Die seitlich von beiden Druckluftführungen 1, 2 quer gegen die Heißgasströmung H U-förmig auskragende Profilrohrmatrix 3 besteht aus zunächst geraden, parallel zueinander verlaufenden Profilrohrsträngen 4, 5, die in eine gemeinsame bogenförmige Profilrohrumlenksektion 6 übergehen. Im Betrieb wird aufzuheizende Druckluft in die obere Druckluftführung 1 eingespeist (D₁), durchströmt dann die geraden Profilrohrstränge 4 (D₂), worauf sie über die Umlenksektion 6 umgelenkt wird (D₃), sodann in umgekehrte Strömungsrichtung die geraden Profilrohrstränge 5 durchströmt (D₄), aus denen sie über die untere Druckluftführung 2 in aufgeheizten Zustand abströmt (D₅), um einen geeigneten Verbraucher, z. B. der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes, zugeführt zu werden.The invention is based on a heat exchanger according to FIG. 1, which consists of two compressed air ducts 1, 2 arranged essentially parallel to one another, which here, for. B are designed as separate manifolds or manifolds. According to the darkened contour, the compressed air guides 1, 2 are closed at the respective rear end. The profile tube matrix 3 projecting laterally from the two compressed air ducts 1, 2 transversely against the hot gas flow H consists of initially straight, parallel profile tube strands 4, 5 which merge into a common arcuate profile tube deflection section 6. In operation, compressed air to be heated is fed into the upper compressed air duct 1 (D 1), then flows through the straight profiled pipe strands 4 (D 2), whereupon it is deflected via the deflection section 6 (D 3), and then flows through the straight profiled pipe strands 5 in the opposite direction of flow (D 3), from which it flows through the lower compressed air duct 2 in the heated state (D₅) to a suitable consumer, for. B. the combustion chamber of a gas turbine engine to be supplied.
  • Abweichend von Fig. 1 wäre die Erfindung auch bei einem Wärmetauscher praktikabel, bei dem die zuvor genannten Druckluftführungen in ein gemeinsames Sammelrohr oder Verteilerrohr integriert sind, von dem die Matrix beidseitig U-förmig auskragt.1, the invention would also be practical for a heat exchanger in which the aforementioned compressed air ducts are integrated in a common header pipe or distributor pipe, from which the matrix projects in a U-shape on both sides.
  • Im Hinblick beispielsweise auf Fig. 2, 3 und 4 äußert sich der Grundgedanke der Erfindung darin, d aß die Profilrohrbügel im bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix 3 in geringerem gegenseitigen Abstand angeordnet sind (Fig. 4) als in den geradlinig verlaufenden Matrixsträngen, z. B. 4, Fig. 2 und 3.With regard to FIGS. 2, 3 and 4, for example, the basic idea of the invention is that the profile tube brackets are arranged in the arcuate deflection region 6 of the matrix 3 at a smaller mutual distance (FIG. 4) than in the rectilinear matrix strands, e.g. B. 4, FIGS. 2 and 3.
  • Ausgestaltungsgemäß ergibt sich insbesondere gemäß Fig. 2 eine Anordnung, bei der die Profilrohrbügel bezüglich der geradschenkeligen Profilrohrsektionen 4₁, 4₂ bis 4₁₀ bzw. 5₁, 5₂ bis 5₁₀ sowie bezüglich der den Matrixbogenbereich 6 definierenden Profilrohrsektionen 6₁, 6₂ bis 6₁₀ jeweils in einer gemeinsamen Ebene übereiander gestaffelt angeordnet sind; diese Ebene kann im allgemeinen als eine quer zu den Rohrführungen 1, 2 (bzw. Sammel- und Verteilerohren) verlaufende, also als "Querebene" definiert werden. In einer gemeinsamen Bogenmeridianebene des Umlenkbereiches 6, also in einer Ebene, die dem Schnitt IV-IV (Fig. 2) folgt, sollen dabei also die Profilrohrsektionen 6₁, 6₂ bis 6₁₀ in geringeren gegenseitigen Abständen übereinander gestaffelt angeordnet sein als die Profilrohrsektionen 4₁, 4₂ bis 4₁₀ bzw. 5₁, 5₂ bis 5₁₀ in den geradschenkelig verlaufenden Matrixssträngen 4, 5. Gemäß Fig. 2 ist ferner erkennbar, daß die Profilrohrbügel bezüglich der im Umlenk- bzw. Bogenbereich 6 enthaltenen Profilrohrsektionen 6₁, 6₂ bis 6₁₀ in gleichmäßigen, verhältnismäßig geringen Abständen über- bzw. nebeneinander angeordnet sind.According to the embodiment, there is in particular an arrangement in accordance with FIG. 2 in which the profile tube brackets with respect to the straight-leg profile tube sections 4₁, 4₂ to 4₁₀ or 5₁, 5₂ to 5₁₀ and with respect to the profile tube sections 6₁, 6₂ to 6₁₀ defining the matrix arc region 6 are each in a common plane are staggered; this plane can generally be defined as a "transverse plane" which runs transverse to the pipe guides 1, 2 (or collecting and distribution pipes). In a common arc meridian plane of the deflection area 6, that is, in a plane that follows the section IV-IV (Fig. 2), the profile tube sections 6₁, 6₂ to 6₁ sollen should be staggered at shorter mutual distances than the profile tube sections 4₁, 4₂ to 4₁₀ or 5₁, 5₂ to 5₁₀ in the straight-leg extending matrix strands 4, 5. According to FIG. 2 it can also be seen that the profile tube bracket with respect to the profile tube sections 6₁, 6₂ to 6₁₀ contained in the deflection or arc region 6 in uniform, relatively small Distances are arranged one above the other or next to each other.
  • Genau genommen besteht gemäß Fig. 2 der bogenförmige Umlenkbereich 6 aus halbkreisförmig gekrümmten, von außen nach innen fortlaufend mit 6₁, 6₂ bis 6₁₀ bezifferten Profilrohrabschnitten; dabei sind die den letzteren jeweils zugeordneten Kreismittelpunkte K₁, K₂ bis K₁₀ bezeichnet und entsprechend der Rohrbeabstandung im Bogenbereich sowie mit Rücksicht auf eine von außen nach innen abnehmende Bogenradiusverringerung - jeweils pro Querebene - auf einer gemeinsamen Geraden G fortlaufend nach außen verschoben. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind also die Kreismittelpunkte K₁, K₂ usw. bis K₁₀ in fortlaufend gleichen Abständen auf der Geraden G angeordnet.Strictly speaking, according to FIG. 2, the arcuate deflection area 6 consists of semicircularly curved profiled tube sections numbered 6₁, 6₂ to 6₁₀ continuously from the outside inwards; the circle centers assigned to the latter are designated K₁, K₂ to K₁₀ and corresponding to the pipe spacing in the bend area and with regard to a decrease in the radius of curvature from the outside inwards - each per transverse plane - continuously shifted outwards on a common straight line G. In the embodiment of Fig. 2, the circle centers K₁, K₂ etc. to K₁₀ are arranged at continuously equal intervals on the straight line G.
  • Aus Fig. 2 ist also erkennbar, daß die gekrümmten Profilrohrsektionen 6₁, 6₂ usw. bis 6₁₀ geometrisch kontinuierlich fluchtend in die zugehörigen geradschenkeligen Profilrohrsektionen 4₁, 4₂ bis 4₁₀ bzw. 5₁, 5₂ bis 5₁₀ übergehen; ferner ist aus Fig. 2 ein bezüglich der geradschenkeligen Profilrohrsektionen (4₁ usw. bzw. 5₁ usw.) - von außen nach innen - zunehmender Profilrohrlängengewinn erkennbar, der sich aus der erwähnten fortlaufenden Kreismittelpunktsverschiebung ergibt; mithin liegen in Fig. 2 gleichförmig schräg verlaufende Rohrbasen R, Rʹ vor, die unter jeweils gleichen Neigungswinkeln α , ß gegenüber einer Senkrechten S angestellt sind, die sowohl den auf der Geraden G liegenden Kreismittelpunkt K₁ schneidet und ferner auch die gemeinsamen Schnittpunkte S₁, S₂ der Rohrbasen R, Rʹ mit dem Profilrohrmittenkreis M des am weitesten außen liegenden Profilrohrbogenabschnitts 6₁ hindurchgeht.From Fig. 2 it can thus be seen that the curved profile tube sections 6₁, 6₂ etc. to 6₁₀ geometrically continuously in alignment with the associated straight-leg profile tube sections 4₁, 4₂ to 4₁₀ or 5₁, 5₂ to 5₁₀ pass over; furthermore from FIG. 2 a with respect to the straight-legged profile tube sections (4₁ etc. or 5₁ etc.) - from the outside inwards - increasing profile tube length gain can be seen, which results from the continuous circle center point shift mentioned; 2 are uniformly inclined pipe bases R, Rʹ, which are employed at the same inclination angles α, ß with respect to a vertical S, which intersects both the circle center K₁ lying on the straight line G and also the common intersections S₁, S₂ the tube bases R, Rʹ with the profile tube center circle M of the outermost profile tube arc section 6 1 passes through.
  • Gemäß Fig. 3 und 4 greifen die Matrixprofilrohrabschnitte 4₁, 4₂, 4₁ʹ, 4₁ʺ, 4₂ʺ der geradschenkeligen Matrixstränge, z. B. 4, und die mit diesem verbundenen zugehörigen Profilrohrabschnitte 6₁, 6₂, 6₁ʹ, 6₁ʺ, 6₂ʺ jeweils räumlich verschachtelt ineinander. Unter Zugrundelegung einer jeweils gleichen seitlichen Profilrohrbeabstandung ergibt sich gegenüber Fig. 3 (Durchströmfläche F1) die in Fig. 4 verringerte Heißgasdurchströmfläche F₂. Mit anderen Worten verkörpert Fig. 3 die reguläre und Fig. 4 die angestrebte engere Profilrohrstaffelung.3 and 4, the matrix profile tube sections 4₁, 4₂, 4₁ʹ, 4₁ʺ, 4₂ʺ of the straight-leg matrix strands, for. B. 4, and the associated associated profile tube sections 6₁, 6₂, 6₁ʹ, 6₁ʺ, 6₂ʺ each spatially nested in one another. On the basis of the same lateral profile tube spacing in each case, compared to FIG. 3 (flow area F1), the reduced hot gas flow area F₂ in FIG. 4 results. In other words, FIG. 3 embodies the regular and FIG. 4 the stricter profile tube grading sought.
  • Unter Anwendung der gleichen Bezugszeichen gemäß Fig. 1 und 2 verkörpert Fig. 5 die aus den maßnahmen nach Fig. 1 bis 4 resultierenden Auswirkungen auf die Heißgasströmung. Hierzu sei kurz auf die eingangs bereits erwähnten nachteilhaften Kriterien bekannter Wärmetauscherkonzepte im Weg e der Nomenklatur nach Fig. 1 eingegangen.Using the same reference numerals according to FIGS. 1 and 2, FIG. 5 embodies the effects on the hot gas flow resulting from the measures according to FIGS. 1 to 4. For this purpose, the disadvantageous criteria of known heat exchanger concepts already mentioned at the beginning in path e of the nomenclature according to FIG. 1 are briefly discussed.
  • Reguläre optimale Heißgasdurchströmverhältnisse können hierbei lediglich bezüglich der blockartig, geradlinig quer gegen die Heißgasströmung H auskragenden Matrixprofilrohrreihen 4, 5 (Fig. 1) zugrunde gelegt werden. In diesen örtlichen Matrixbereichen sind die einzelnen Profilrohre unter Gewährleistung einer vorgegebenen einwandfreien gleichförmigen Heißgasversperrung sowie Heißgasdrosselung gleichförmig verschachtelt zueinander angeordnet; die Profilrohrreihen sind also im Rahmen eines einwandfreien Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozesses vom Heißgasstrom H umströmbar.Regular optimal hot gas flow ratios can only be taken as a basis here with regard to the block profile rows 4, 5 (FIG. 1) that protrude in a straight line, transversely against the hot gas flow H. In these local matrix areas, the individual profile tubes are arranged in a uniformly interleaved manner with respect to one another, ensuring a predetermined, perfect, uniform hot gas block and hot gas throttling; The hot gas stream H can therefore flow around the profile tube rows as part of a perfect cross-countercurrent heat exchange process.
  • Infolge der eingangs zu Bekanntem beschriebenen Profilrohranordnung im bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix 3 ist dort die Heißgasdrosselung verhältnismäßig gering, es ergibt sich ein Ungleichgewicht hinsichtlich der Heißgas-Massenstromdichte zwischen dem Umlenkbereich 6 und den geradschenkelig verlaufenden Profilrohrreihen 4, 5; der Wärmetauschprozeß Heißgas/Druckluft ist im Umlenkbereich 6 verhältnismäßig ungünstig. Im Bestreben, die Heißgasströmung zumindest dem Bogenverlauf folgend an den Profilen entlangströmen zu lassen, wird eine verhältnismäßig lange bogenseitige Berandung erforderlich.As a result of the profile tube arrangement in the arcuate deflection region 6 of the matrix 3 described at the outset, the hot gas throttling is proportionate there low, there is an imbalance with regard to the hot gas mass flow density between the deflection area 6 and the straight-leg profile rows 4, 5; the heat exchange process hot gas / compressed air in the deflection area 6 is relatively unfavorable. In order to allow the hot gas flow to flow along the profiles at least following the curve, a relatively long edge on the arc side is required.
  • Ferner können die aus dem bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix 3 (Fig. 1) mit verhältnismäßig großer Strömungsgeschwindigkeit abfließenden Heißgasanteile die Heißgasabströmung aus der übrigen Matrix mit den überwiegend geradschenkeligen Matrixsträngen beeinträchtigen (Michturbulenzen).Furthermore, the hot gas components flowing out of the arcuate deflection region 6 of the matrix 3 (FIG. 1) at a relatively high flow rate can impair the hot gas outflow from the rest of the matrix with the predominantly straight-legged matrix strands (light turbulence).
  • Im Rahmen des u.a. durch die Fig. 2 bis 4 verkörperten Erfindungsgegenstandes kann gemäß Fig. 5 eine im wesentlichen zentrisch die Profilrohrkrümmung im Bogenbereich entgegengerichtet gekrümmt überschneidende, hier durch Überkreuz-Schraffur verdeutlichte schwach vom Heißgas durchströmte Zone 7 ausgebildet werden. Im Gegensatz zum beschriebenen Stand der Technik kann also gemäß Fig. 5 auch der wesentlichste Teil des bogenförmigen Matrixumlenkbereiches 6 gemäß Pfeilfolge H₁, H₂, H₃ vom Heißgas so durchströmt werden, daß ein Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozeß möglich ist, und zwar dies als Folge der örtlichen gegenseitigen Heißgasdurchström-Querschnittsverringerung (Flächen F₂ -Fig. 4), die wiederum die schwach durchströmte Zone 7 und damit den bogenseitig nach innen ausgebeulten Heißgasströmungsverlauf H₁, H₂, H₃ nach sich zieht. Zugleich kann das eingangs zu Bekanntem erwähnte Ungleichgewicht der Massenstromdichte zwi schen dem bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix 3 und geradschenkeligen Profilrohrreihen 4, 5 (Profilrohrabschnitte 4₁, 4₂ bis 4₁₀ bzw. 5₁, 5₂ bis 5₁₀) im wesentlichen beseitigt und eine ungestörte, homogene Durchströmung der gesamten Matrix 3 bei gleichzeitig ferner im wesentlichen gleichen Abströmgeschwindigkeiten sämtlicher Heißgasanteile aus der Matrix 3 erzielt werden (Heißgasflußfolge H₁, H₂, H₃, H₄, H₅, H₆).Within the scope of the subject matter of the invention embodied, inter alia, by FIGS. 2 to 4, according to FIG. 5, a zone 7 can be formed, essentially overlapping the profile tube curvature in the arc region in the opposite direction, curved here, indicated by cross-hatching and weakly flowed through by the hot gas. In contrast to the described prior art, the most essential part of the arcuate matrix deflection region 6 according to the arrow sequence H 1, H 2, H 3 can thus be flowed through by hot gas in such a way that a cross-countercurrent heat exchange process is possible, specifically as a result of local mutual reduction of hot gas flow cross-section (areas F₂-Fig. 4), which in turn causes the weakly flowed zone 7 and thus the hot gas flow course bulged inward on the arc side H 1, H 2, H 3. At the same time, the aforementioned imbalance in mass flow density between known rule the arcuate deflection area 6 of the matrix 3 and straight-legged profile tube rows 4, 5 (profile tube sections 4₁, 4₂ to 4₁₀ or 5₁, 5₂ to 5₁₀) substantially and an undisturbed, homogeneous flow through the entire matrix 3 while at the same time essentially the same outflow speeds of all Hot gas fractions can be achieved from the matrix 3 (hot gas flow sequence H₁, H₂, H₃, H₄, H₅, H₆).
  • Gemäß Fig. 5 kann eine z. B. als mittelbarer oder unmittelbarer Bestandteil eines die Heißgase führenden Gehäuses ausgebildete Berandung 8 entlang der äußeren Rohrbögen 6₁ der Matrix 3 verhältnismäßig kurz, d. h. im Bogensinne verlaufend kurz, ausgeführt werden, während z. B. das Gehäuse parallel zur Heißgashauptströmungsrichtung H verlaufen kann.5 a z. B. as an indirect or direct component of a housing leading the hot gases formed boundary 8 along the outer tube bends 6₁ of the matrix 3 relatively short, d. H. running short in the arch sense, while z. B. the housing can run parallel to the hot gas main flow direction H.
  • Wie beispielsweise in Fig. 5 durch schematische Zuordnung gestrichelt repräsentiert, kann die im Bogensinne verhältnismäßig kurz ausführbare bzw. von geringer lichter Breite ausgeführte Berandung 8 über eine stützkraftübertragende Bauteilhalterung 9 beweglich am benachbarten Wärmetauschergehäuse 10 aufgehängt ist; dabei können besondere Heißgasabsperrdichtungen zwischen Berandung 8 und Gehäuse 10 vorgesehen sein, die mittelbar oder unmittelbar bewegungskompensatorisch mit der Bauteilhalterung 9 zusammenwirken können. Im übrigen kann die Bauteilhalterung 9 selbst die notwendige Heißgasabsperrung zwischen Berandung 8 und Gehäuse 10 bewirken.As represented, for example, by dashed lines in FIG. 5, the edge 8, which can be made relatively short in the arc or has a clear width, can be suspended on the adjacent heat exchanger housing 10 via a component holder 9 which transmits supporting force; In this case, special hot gas shutoff seals can be provided between the edge 8 and the housing 10, which can interact directly or indirectly with the component holder 9 in a motion-compensating manner. Otherwise, the component holder 9 itself can effect the necessary hot gas shut-off between the rim 8 and the housing 10.
  • Abweichend von Fig. 5 ka nn auch eine längs geteilte, aus zwei Schalenelementen bestehenden Bogenberandung vorgesehen sein, die sich mittels bewegungskompensatorischer Bauteilhalterungsmittel am Wärmetauschergehäuse abstützen kann.5, a longitudinally divided sheet edge consisting of two shell elements can also be provided, which can be compensated for by means of movement Component support means can support the heat exchanger housing.
  • Im Gegensatz zur Erfindungsvariante nach Fig. 2 bis 4, bei der die bogenförmigen Profilrohrabschnitte, z. B. 6₁, 6₂ bis 6₁₀, auf der bogenmeridianen Geraden G mit gleichmäßig engen Abständen übereinander liegen, können die betreffenden Profilrohrabschnitte im bogenförmigen Umlenkbereich auch - gemäß einer weiteren Erfindungsvariante - in ungleichförmigen verhältnismäßig engen Abständen übereinander liegen.In contrast to the variant of the invention according to FIGS. 2 to 4, in which the arcuate tubular sections, for. B. 6₁, 6₂ to 6₁₀, lie on the arc meridian straight line G with evenly narrow distances one above the other, the profile tube sections in question in the arcuate deflection region can also - according to a further variant of the invention - lie at irregular, relatively narrow distances above one another.
  • Eine konkrete Ausgestaltungsalternative hierzu ergibt sich aus den Fig. 6 und 7, wonach die zu den Profilrohrbügeln gehörenden, den bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix definierenden Profilrohrabschnitte 6₁, 6₂ usw. bis 6₁₀ in der durch den bogenmeridianen Schnitt VII-VII der Fig. 6 in Fig. 7 wiedergegebenen Weise, in Richtung vom innersten Profilrohrbügel mit dem kleinsten Krümmungsbogen (Profilrohrabschnitt 6₁₀) auf einen äußersten Profilrohrbügel mit dem größten Krümmungsbogen (Profilrohrabschnitt 6₁), in sich fortlaufend verringernden Abständen übereinander liegen. Dabei sind die jeweils einem Profilrohrfeld gemäß Fig. 6 zugehörigen Kreismittelpunkte - in Zuordnung zu den bogenförmigen Profilrohrabschnitten 6₁, 6₂ und 6₁₀ mit K₁, K₂ und K₃ auf der Geraden G aufgetragen. Im Gegensatz zu Fig. 2 sind in Fig. 6 die Rohrbasen R, Rʹ entsprechend der zunehmenden Mittelpunktsverdichtung (K₁ nach K₁₀) leicht kontinuierlich bogenförmig verlaufend sowie etwa im Sinne von Fig. 2 schräg zur Senkrechten S angestellt.6 and 7, according to which the profile tube brackets belonging to the profile tube brackets and defining the arcuate deflection region 6 of the matrix define profile tube sections 6 1, 6 2 etc. to 6 1 in the section VII-VII of FIG. 6 in Fig. 7 shown way, in the direction from the innermost profile tube bracket with the smallest elbow (profile tube section 6₁₀) to an outermost profile tube bracket with the largest curve elbow (profile tube section 6₁), in continuously decreasing distances one above the other. 6 are associated with a profile tube field according to FIG. 6 circle centers - in association with the arcuate profile tube sections 6₁, 6₂ and 6₁₀ with K₁, K₂ and K₃ on the straight line G. In contrast to Fig. 2, the tube bases R, Rʹ are slightly continuous arcuate in Fig. 6 according to the increasing center compression (K₁ to K₁₀) and approximately in the sense of Fig. 2 obliquely to the vertical S.
  • Gemäß der bogenmeridianen Schnittdarstellung des verschachtelt ineinandergreifenden Profilrohrfeldes nach Fig. 7 verkörpern z. B. die schwarz aufscheinenden Heißgasdurchströmflächen H f1 (innerer Teil des Umlenkbereichs 6) sowie H f2 (äußerer Teil des Umlenkbereichs 6) die von innen nach außen sich kontinuierlich fortsetzende Heißgasdurchströmflächenverringerung.According to the arc-meridian sectional view of the nested interlocking profile tube field according to FIG. B. the black shining hot gas flow areas H f1 (inner part of the deflection area 6) and H f2 (outer part of the deflection area 6) the continuously increasing hot gas flow area reduction from the inside to the outside.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 und 7 ist ein mit Fig. 5 vergleichbarer bzw. ähnlicher vorteilhafter Strömungsverlauf H₁ bis H₆ im Hinblick auf eine sich außenrandständig ausbildende nur verhältnismäßig schwach durchströmte Zone 7 zu erwarten, wobei berandende Strukturen der Matrix sowie der randständigen Abdichtung in Bezug auf die Heißgehäusestruktur in sinngemäßer Weise gemäß Fig. 5 auch in Fig. 6 und 7 zugrunde gelegt werden können.In the embodiment according to FIGS. 6 and 7, a flow pattern H 1 to H 5 that is comparable or similar to that in FIG. 5 is to be expected with regard to a zone 7 which is only relatively weakly flowed through, with peripheral structures of the matrix and the marginal seal in relation to one another 5 in FIG. 5 and 7 can also be used as a basis for the hot housing structure.
  • In nicht weiter dargestellter Weise wäre die Erfindung auch dann realisierbar, wenn die Profilrohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene des Matrixumlenkbereichs in Richtung vom jeweils innersten Profilrohrbügel mit dem kleinsten Krümmungsbogen auf den äußersten Rohrbügel mit den jeweils größten Krümmungsbogen zunächst in fortlaufend verhältnismäßig großen und dann in verhältnismäßig kleinen gleichmäßigen Abständen übereinanderliegen.In a manner not shown further, the invention would also be realizable if the profile tube brackets in the common arc meridian plane of the matrix deflection area in the direction from the innermost profile tube bracket with the smallest elbow to the outermost tube bracket with the largest elbow in each case first in continuously relatively large and then in relatively small evenly spaced one above the other.
  • Im Gegensatz zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 bis 5 sowie Fig. 6 und 7, die jeweils kreisförmige Rohrschnitte im Matrixumlenkbereich 6 aufweisen, ist es erfindungsgemäß ferner möglich, den Matrixumlenkbereich aus kreisförmigen und elliptischen bzw. nur aus elliptisch gekrümmten Profilrohrabschnitten zu bilden.In contrast to the preceding exemplary embodiments according to FIGS. 2 to 5 and FIGS. 6 and 7, each of which has circular tube sections in the matrix deflection area 6, it is also possible according to the invention to form the matrix deflection area from circular and elliptical or only from elliptically curved profile tube sections.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 und 9 wird also z. B. der jeweils am weitesten innen liegende gekrümmte Profilrohrabschnitt 6₁₀ kreisförmig ausgebildet, während die hierauf folgenden Profilrohrschnitte 6₉, 6₈ bis 6₁₀ elliptisch gekrümmt sind, wobei sämtlichen Profilrohrabschnitten 6₁₀ bis 6₁ auf den betreffend zugehörigen Geraden G ein gleicher Mittelpunkt M zugeordnet ist. In Fig. 8 und 9 wird also die jeweils große Achse (A) der elliptisch gekrümmten Profilrohrabschnitte durch die gleichmäßige Profilbeabstandung in den geradschenkeligen Matrixsträngen 4, 5 (Profilrohrabschnitte 41, 4₂ bis 4₁₀ bzw. 5₁, 5₂ bis 5₁₀) vorgegeben und deren jeweils kleine Achse (B) durch die gewählte Profilabschnittsbeabstandung in der Bogenmeridianebene (Schnitt IX-IX); dabei ist in Fig. 8 und 9 also eine im Matrixbogenbereich von innen nach außen hin sich fortlaufend verringernde Profilabschnittsbeabstandung vorgesehen, was gemäß Fig. 9 - ähnlich Fig. 7 - zu der örtlichen - von außen nach innen gesehen - sich stetig fortsetzenden Heißdurchströmflächenverringerung führt und auch hier wiederum symbolisch durch eine innere, verhältnismäßig große (H f1) und eine äußere, verhältnismäßig kleine Heißgasdurchströmfläche H f2 verdeutlicht ist.In the embodiment of FIGS. 8 and 9, z. B. the most innermost curved section 6₁₀ circular, while the following sections 6₉, 6₈ to 6₁₀ are elliptically curved, with all sections 6₁₀ to 6₁ on the associated straight line G is assigned the same center M. In Fig. 8 and 9, the respective major axis (A) of the elliptically curved profile tube sections is given by the uniform profile spacing in the straight-legged matrix strands 4, 5 (profile tube sections 4 1 , 4₂ to 4₁₀ or 5₁, 5₂ to 5₁ vorgegeben) and their respective small axis (B) through the selected profile section spacing in the arch meridian plane (section IX-IX); 8 and 9 there is therefore a continuously decreasing profile section spacing in the matrix arc region from the inside to the outside, which according to FIG. 9 - similar to FIG. 7 - leads to the local - from the outside inwards - the continuously increasing reduction of the hot flow area and here, too, is symbolically illustrated by an inner, relatively large (H f1 ) and an outer, relatively small hot gas flow area H f2 .
  • Aufgrund der in Fig. 8 und 9 angegebenen Bauweise kann gegenüber den Ausführungsformen nach Fig. 2 bis 7 - bei äquivalenter Matrixbaulänge und Breite - das den Umlenkbereich 6 der Matrix 3 ausbildende Matrixvolumen (Profilrohrabschnitte 6₁ bis 6₁₀) verringert werden bei zugleich insgesamt vergrößerter Baulänge der geradschenkeligen Profilrohrreihen 4, 5 mit den Profilrohrabschnitten 4₁ bis 4₁₀ bzw 5₁ bis 5₁₀.Due to the design shown in FIGS. 8 and 9, compared to the embodiments according to FIGS. 2 to 7 - with an equivalent matrix length and width - the deflecting area 6 of the matrix 3 forming matrix volume (profile tube sections 6 1 to 6 1) can be reduced with an overall increased overall length straight-legged profile tube rows 4, 5 with the profile tube sections 4₁ to 4₁₀ or 5₁ to 5₁₀.
  • Für Fig. 4 und 8 kann eine mit Fig. 5 etwa vergleichbare Heißgasdurchströmung zugrunde gelegt werden in Verbindung mit einer vom äußeren Bogenrand aus etwa pilzförmig gegen die vorhandene Profilrohrkrümmung nach innen sich auskrümmende schwach durchströmten Zone.For FIGS. 4 and 8, a hot gas flow approximately comparable to FIG. 5 can be taken as a basis in connection with a weakly flowed zone which curves outward from the outer edge of the arch approximately mushroom-shaped against the existing profile tube curvature.
  • Gemäß Fig. 2, 5, 6 und 8 kann die Bogenmeridianebene in einer Ebene liegen, die sich mittig sowie parallel zwischen den beiden geradschenkeligen Matrixsträngen erstreckt, wobei die die Kreismittelpunkte K₁, K₂, K₆ enthaltenden Geraden G (Fig. 2 und 6) oder die einen oder kleinen Achsen B (Fig. 8), welche den elliptisch gekrümmten bzw. halbelliptischen Profilrohrabschnitten 6₁ bis 6₁₀ zugehörig sind, in dieser Ebene liegen.2, 5, 6 and 8, the arc meridian plane may lie in a plane which extends centrally and parallel between the two straight-legged matrix strands, the straight lines G (FIGS. 2 and 6) or containing the circle centers K₁, K₂, K, the one or small axes B (Fig. 8), which are associated with the elliptically curved or semi-elliptical profile tube sections 6₁ to 6₁₀, lie in this plane.
  • Wie ferner aus den Fig. 3, 4, 7 und 9 entnehmbar, weisen die Profilrohrbügel einen jeweils gleichförmigen, länglich ovalen Profilquerschnitt auf.As can also be seen from FIGS. 3, 4, 7 and 9, the profile tube brackets each have a uniform, elongated oval profile cross section.
  • Die erfindungsgemäße engere Staffelung des Profilrohrfeldes im Zenit des Bogenbereiches erlaubt in vorteilhafter Weise auch die Lösung des mechanischen Problems, im Betrieb des Wärmetauschers die vorgegebenen Abstände zwischen den Profilrohren einzuhalten. Ohne besondere diesbezügliche Maßnahmen können die Bogenbereiche der Rohrbügel in Querrichtung leicht aus ihrer Normallage ausgelenkt werden, denn eine solche elastische Bewegung bewirkt Biegung des Profilrohres um die Achse seines geringsten Biegewiderstandsmomentes. Die aus dieser Bewegung heraus möglichen Querschwingungen der Rohrbügel können die Außenströmung und deren Wärmeaustausch empfindlich stören und sollen daher vermieden werden. Dazu ist es erforderlich, die Profilrohre auch im Bogenbereich aneinander abzustützen. Diese Abstützung darf das Grundprinzip dieser Wärmetauscherbauart nicht verletzen, nach dem sich jeder individuelle Rohrbügel ohne Zwang frei in der Länge ausdehnen können soll. Andererseits sollte eine Abstützung in diesem Bereich die Querschnitte für die längsgerichtete Durchströmung nicht versperren.The narrower staggering of the profile tube field according to the invention in the zenith of the bend region advantageously also allows the mechanical problem to be solved to maintain the predetermined distances between the profile tubes during operation of the heat exchanger. Without any special measures in this regard, the bend areas of the tube brackets can be easily deflected in the transverse direction from their normal position, because such an elastic movement causes the profile tube to bend about the axis of its lowest bending resistance moment. The transverse vibrations of the pipe brackets which result from this movement can severely disrupt the external flow and its heat exchange and should therefore be avoided. To do this, it is necessary to use the profile tubes also in the bend area to support each other. This support must not violate the basic principle of this type of heat exchanger, according to which each individual pipe bracket should be able to extend freely in length without constraint. On the other hand, a support in this area should not block the cross sections for the longitudinal flow.
  • Zur Erfüllung dieser Forderungen wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dieden bogenförmigen Umlenkbereich ausbildenden Profilrohrabschnitte z B. örtlich im Zenit des Bogens über ihre Spitzen in Richtung ihrer größeren Achse zu stauchen und zwar in dem Maße, daß die Flanken in kontrollierter Weise seitlich nach außen ausbeulen (Ausbeulungen 10). Dieser Vorgang wird mit Hilfe von Spezialwerkzeugen ausgeführt, so daß die Form des gestauchten Profilabschnittes präzise und wiederholbar erzeugt wird. Die Werkzeuge 11, 12 können wie in Fig. 11 gezeigt - gestaltet sein.To meet these requirements, it is proposed in a further embodiment of the invention to compress the profile tube sections forming the arcuate deflection region, for example locally in the zenith of the arc, via their tips in the direction of their major axis, to the extent that the flanks are turned laterally outwards in a controlled manner bulge (bulges 10). This process is carried out with the help of special tools so that the shape of the compressed profile section is generated precisely and repeatably. The tools 11, 12 can be designed as shown in FIG. 11.
  • Beim Zusammenfügen der solcherart behandelten Profilrohrbügel zu der erfindungsgemäßen Bogenkonfiguration entsteht in diesem Bereich eine Packung, wie in Fig. 10 dargestellt. Damit werden die genannten Bedingungen für die gegenseitige Abstützung der Profilrohre erfüllt. Bei Bedarf können die Berührungsstellen der Profiloberflächen mit einer Verschleißschutzschicht versehen werden. When the profiled tube brackets treated in this way are assembled into the bow configuration according to the invention, a pack is produced in this area, as shown in FIG. 10. This fulfills the conditions mentioned for the mutual support of the profile tubes. If necessary, the contact points of the profile surfaces can be provided with a wear protection layer.

Claims (11)

1. Wärmetauscher mit einer quer gegen eine Heißgasströmung U-förmig auskragenden, aus räumlich ineinander verschachtelten Profilrohrbügeln zusammengesetzten Kreuz-Gegenstrom-Matrix, die über zwei geradschenkelige, in einen bogenförmigen Umlenkbereich auslaufende Matrixstränge an zwei im wesentlichen parallel nebeneinander und quer zur Matrix angeordnete Druckluft-Rohrführungen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohrbügel im bogenförmigen Umlenkbereich (6) der Matrix (3) in geringerem gegenseitigen Abstand angeordnet sind als in den geradschenkelig verlaufenden Matrixsträngen (4, 5).1. Heat exchanger with a cross-countercurrent matrix protruding in a U-shape against a hot gas flow and composed of spatially nested profile tube brackets. Pipe guides are connected, characterized in that the profile tube brackets are arranged in the arcuate deflection area (6) of the matrix (3) at a smaller mutual distance than in the straight-legged matrix strands (4, 5).
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Profilrohrbügel, jeweils übereinander gestaffelt, in parallel zueinander verlaufenden, die Rohrführungen in Querrichtung schneidenden Ebenen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Ebene zugehörigen Profilrohrbügel im Matrixumlenkbereich (6) in einer gemeinsamen Bogenmeridianebene in geringeren Abständen übereinander angeordnet sind als in den geradschenkelig verlaufenden Matrixsträngen (4, 5), in denen die Profilrohrabschnitte (4₁, 4₁₀; 5₁, 5₁₀) mit gleichmäßigen Abständen parallel übereinanderliegen.2. Heat exchanger according to claim 1, in which the profiled tube brackets, in each case staggered one above the other, are arranged in mutually parallel planes which intersect the tube guides in the transverse direction, characterized in that the profiled tube brackets associated with one level in the matrix deflection region (6) in a common arc meridian plane to a lesser extent Distances are arranged one above the other than in the straight-legged matrix strands (4, 5), in which the profile tube sections (4₁, 4₁₀; 5₁, 5₁₀) lie on top of each other at equal intervals.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene in gleichmäßigen Abständen übereinander angeordnet sind.3. Heat exchanger according to claim 1 and 2, characterized in that the profile tube brackets are arranged one above the other in the common arc meridian plane at regular intervals.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene in ungleichmäßigen Abständen übereinanderliegen.4. Heat exchanger according to claim 1 and 2, characterized in that the profile tube brackets lie one above the other in the common arc meridian plane at irregular intervals.
5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene, in Richtung vom innersten Profilrohrabschnitt (6₁₀) mit dem kleinsten Krümmungsbogen auf den äußersten Rohrabschnitt (6₁) mit dem größten Krümmungsbogen, in sich fortlaufend verringernden Abständen übereinanderliegen.5. Heat exchanger according to one or more of claims 1, 2 and 4, characterized in that the profile tube bracket in the common arc meridian plane, in the direction from the innermost profile tube section (6₁₀) with the smallest elbow to the outermost tube section (6₁) with the largest elbow, lie on top of each other in continuously decreasing intervals.
6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene, in Richtung von innersten Profilrohrabschnitt mit dem kleinsten Krümmungsbogen auf den äußersten Profilrohrabschnitt mit dem größten Krümmungsbogen, zunächst in fortlaufend verhältnismäßig großen und dann in verhältnismäßig kleinen gleichmäßigen Abständen übereinanderliegen.6. Heat exchanger according to one or more of claims 1, 2 and 4, characterized in that the profile tube bracket in the common arc meridian plane, in the direction from the innermost profile tube section with the smallest curve to the outermost profile tube section with the largest curve, initially in continuously relatively large and then lie on top of one another at relatively small, even intervals.
7. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der bogenförmige Matrixumlenkbereich (6) aus halbkreisförmig gekrümmten Profilrohrabschnitten (6₁, 6₂, 6₁₀) besteht, deren Kreismittelpunkte (K₁, K₂, K₁₀) entsprechend der gewählten Rohrbeabstandung im Bogenbereich sowie mit Rücksicht auf eine von außen nach innen abnehmende Bogenradiusverringerung jeweils auf einer gemeinsamen Geraden (G) fortlaufend nach außen verschoben sind.7. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the arcuate matrix deflection region (6) consists of semicircular curved profile tube sections (6₁, 6₂, 6₁₀), the center of their circles (K₁, K₂, K₁₀) according to the selected tube spacing in Arc area and in view of a decrease in the radius of the arc decreasing from the outside in each case on a common straight line (G) are continuously shifted outwards.
8. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der bogenförmige Matrixumlenkbereich aus kreisförmig und/oder elliptisch gekrümmten Profilrohrabschnitten (6₁, 6₈, 6₉, 6₁₀) mit jeweils gleichem Mittelpunkt (M) besteht, deren jeweils eine oder große Achse (A) durch die gleichmäßige Profilabschnittsbeabstandung in den geradschenkeligen Matrixsträngen (4, 5) vorgegeben ist und deren jeweils andere oder kleine Achse (B) durch eine gewählte Profilabschnittsbeanstandung in der Bogenmeridianebene vorgegeben ist.8. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the arcuate matrix deflection area consists of circular and / or elliptically curved profile tube sections (6₁, 6₈, 6₉, 6₁₀) each having the same center (M), each one or major axis (A) is predetermined by the uniform profile section spacing in the straight-legged matrix strands (4, 5) and the other or small axis (B) is predetermined by a selected profile section objection in the arch meridian plane.
9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenmeridianebene bzw. deren Verlängerung sich mittig sowie parallel zwischen den beiden geradschenkeligen Matrixsträngen (4, 5) erstreckt, wobei die die Kreismittelpunkte (K₁, K₂, K₁₀) enthaltenden Geraden (G) oder die einen oder kleinen Achsen (B), w elche den elliptisch gekrümmten bzw. halbelliptischen Profilrohrabschnitten (6₁, 6₈, 6₉, 6₁₀) zugehörig sind, auf der verlängerten Bogenmeridianebene liegen.9. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 8, characterized in that the arc meridian plane or its extension extends centrally and parallel between the two straight-legged matrix strands (4, 5), the circle centers (K₁, K₂, K₁₀) containing straight lines (G) or the one or small axes (B), which are associated with the elliptically curved or semi-elliptical profile tube sections (6₁, 6₈, 6₉, 6₁₀), lie on the elongated arc meridian plane.
10. Wärmetauscher nach einer oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohrbügel einen jeweils gleichförmigen, länglich ovalen Profilquerschnitt aufweisen.10. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that the profile tube bracket each have a uniform, elongated oval profile cross section.
11. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den bogenförmigen Umlenkbereich der Matrix ausbildenden Profilrohrabschnitte (6₁, 6₂, 6
Figure imgb0001
, 6
Figure imgb0002
) im Bereich bzw. in der Bogenmeridianebene mittels profilendseitig eingebrachter Ausbauchungen (10) gegeneinander abgestützt sind.
11. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that the arcuate deflection region of the matrix forming profile tube sections (6₁, 6₂, 6th
Figure imgb0001
, 6th
Figure imgb0002
) are supported against each other in the area or in the arch meridian plane by means of bulges (10) introduced on the profile end side.
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