EP0383173B1 - Wärmetauscher - Google Patents

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EP0383173B1
EP0383173B1 EP90102376A EP90102376A EP0383173B1 EP 0383173 B1 EP0383173 B1 EP 0383173B1 EP 90102376 A EP90102376 A EP 90102376A EP 90102376 A EP90102376 A EP 90102376A EP 0383173 B1 EP0383173 B1 EP 0383173B1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
points
exchanger according
curved sections
small profiled
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EP90102376A
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EP0383173A1 (de
Inventor
Klaus Hagemeister
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
    • F28F9/013—Auxiliary supports for elements for tubes or tube-assemblies
    • 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
    • Y10S165/401—Shell enclosed conduit assembly including tube support or shell-side flow director
    • Y10S165/416—Extending transverse of shell, e.g. fin, baffle
    • Y10S165/423—Bar

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • Such a heat exchanger is known from DE-A-35 43 893; a number of S-shaped profile tubes are attached between a collecting tube and a matrix deflection section.
  • the curvature of the individual profile tubes gives rise to a number of advantages over straight profile tubes.
  • this solution has the disadvantage that the individual expansion compensation of a profile tube only results in a transverse deflection with respect to the collective tube profile surrounding it at those points where the spacers of the maximum deflection points are arranged. This hinders the expansion compensation if it exceeds the play in the spacer.
  • the stringing of curve sections according to the invention results in a complete wave train over the entire length of a profile tube, which enables a controlled buckling of an entire tube or an entire tube collective of a layer in the case of relative expansions due to thermal expansions or due to impact-related expansions or compressions in relation to their external restraint.
  • the profile tubes can thus be controlled in spite of fixations fixed on both sides and a firm connection at the points of the spacers and can only expand and contract in length with slight internal stresses under the effect of temperature differences and gradients without the flow cross sections between adjacent profile tubes being changed significantly. It must be emphasized that the profile tubes are made from one piece, and the individual curve sections only represent curved sections of a profile tube.
  • the considerable advantage of the new shape of the profile tubes is that the spacers can be fixed at the points of their maximum deflection points and the intermediate points without play, whereby the collective of the profile tubes can be firmly supported against vibrations and impact forces at these points.
  • the expansion compensation is then carried out by compressing or stretching the profile tubes to the length of two abutting curve sections, ie between two fixing points each along one entire pipe section occur at least twice. For the same relative expansion there are transverse deflections which are about a factor 3 less than those of known designs.
  • the curve sections have constant radii of curvature, as a result of which the curve sections can be easily manufactured. It is advantageous if all curve sections have the same radius of curvature, which is approximately in the range of 1 to 2 times the length of the curve sections.
  • the distances between the profile tubes which are important for the flow can be kept sufficiently large in this way, even with large temperature differences.
  • the points of minimal distance between two profile tubes occur at the turning points, i.e. at the joints of two oppositely curved curve sections.
  • the curve sections have sinusoidal curves.
  • Two alternative embodiments of a sinusoidal curve are possible.
  • two curve sections together form a complete sine wave, the imaginary angular axis representing the straight-line connection of two fixing points.
  • the fixing points thus correspond to the angle 0 or 2 ⁇ , while the turning points at which two oppositely curved curve sections meet one another correspond to the angle ⁇ / 2.
  • two curve sections together form a half cosine train. That is, the imaginary angular axis is equally spaced parallel to the profile tube tangent at the two fixing points.
  • the two fixing points thus correspond to the angles 0 and ⁇ .
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the profile tubes have an approximately elliptical cross section, the individual curve sections being bent around the semi-axis with the lower bending resistance moment.
  • Such an elliptical cross-section enables an aerodynamically more favorable flow around the individual profile tubes.
  • a profile tube 1 is shown, which is attached by means of two attachment points 2a, 2b to two only partially drawn collecting containers 3a and 3b.
  • one of the two collecting containers 3a, 3b can also be a deflection section of a U-shaped profile tube matrix, for example.
  • a plurality of similar, regularly spaced profile tubes 4 are provided, which together with the profile tube 1 shown form a complete matrix through which a flow medium is conducted, for example, from the collecting container 3a to the collecting container 3b.
  • the fluid flow flowing inside the profile tubes 1, 4 is caused to heat exchange by a fluid flow flowing past in a cross flow, the flow direction of which is designated by 12. Usually, the fluid flow flowing within the profile tubes 1, 4 becomes thereby heats up.
  • the profile tube 1 shown in FIG. 1 essentially consists of eight curve sections 5 of equal length, which adjoin one another at the turning points 6.
  • the curve sections 5 are only differently curved areas of the integrally produced profile tube 1, d. h, there are no large number of curve sections 5 joined together, but a profile tube 1 is bent accordingly into the curve sections.
  • the curve sections 5 are alternately oppositely curved — to the left or to the right — to form a serpentine contour which is superimposed on an essentially S-shaped course.
  • the profile tube 1 has two points of maximum deflection 7a and 7b, between which an intermediate point 8 is provided which is equally distant from both points 7a, 7b.
  • two curve sections 5 are arranged so that the centers of curvature lie on alternately opposite sides of the profile tube 1, so that alternating left and right curvature is present.
  • a total of four curve sections 5 lie between the points of maximum deflection 7a and 7b.
  • the tangents 11 to the profile tube course in the points of maximum deflection 7a, 7b and in the intermediate point 8 are parallel. Furthermore, spacers 9 are provided on the points 7a, 7b and 8, with which the distances to adjacent profile tubes 4 - which are not shown in FIG. 1 for reasons of clarity - are maintained (fixing points). The tangents 11 at the attachment points 2a, 2b are also parallel to the above-mentioned tangents.
  • the curve sections 5 can have constant radii of curvature so that they can be regarded as circular sections, or they can have a sinusoidal shape.
  • the heat exchanger will be exposed to thermal expansions, and the collecting containers 3a, 3b and the spacers 9 can be fixed in place at the same time.
  • the greatest possible approach to adjacent profile tubes 4 occurs at those turning points 6 which are not at the same time fixing points 7a, 7b, 8, while due to the spacers 9 at the latter fixing points there is no change in the Distance between individual profile tubes 1.4 can be observed.
  • the radius of curvature of the curve sections 5 or the amplitude of the sinusoidal curve section 5 must be dimensioned such that the minimum distances are still so large at maximum temperature-induced expansion that the the minimum permissible flow cross-sections between adjacent profile tubes 1.4 must not be undercut.
  • the radius of curvature should be selected in the range of 3-4 cm with a length of the curve sections of 2.5 cm.
  • the profile tubes 1.4 are wider than in the side view according to FIG. 1, which is due to the fact that the profile tubes 1.4 have an approximately elliptical cross-section.
  • the inflow expediently takes place in the direction denoted by 12 and thus in the direction of the major axis of the elliptical profile tubes 1, 4.
  • the spacers 9 are attached along regularly spaced locations, both the profile tubes spaced apart in the direction of the large ellipse axis 1.4 (Fig. 2) and the profile tubes 1.4 (Fig. 1), which are spaced apart in the direction of the small axis, are kept at a defined distance.

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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein derartiger Wärmetauscher ist aus der DE-A- 35 43 893 bekannt; dabei sind eine Anzahl S-förmig gekrümmter Profilröhrchen zwischen einem Sammelrohr und einem Matrixumlenkabschnitt angebracht. Durch die Krümmung der einzelnen Profilröhrchen ergeben sich eine Reihe von Vorteilen gegenüber gradlinig verlaufenden Profilröhrchen. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß der individuelle Dehnungsausgleich eines Profilröhrchens einen Querausschlag in Bezug auf das es umgebende Kollektiv von Profilröhrchen nur an denjenigen Stellen zur Folge hat, an denen die Abstandshalter der maximalen Auslenkungspunkte angeordnet sind. Dadurch wird der Dehnungsausgleich behindert, sofern er das in der Abstandshalterung vorhandene Spiel überschreitet.
  • Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart zu verbessern, daß unter allen Betriebsbedingungen ein ungehinderter Dehnungsausgleich der Profilröhrchen stattfinden kann, ohne daß sich der Wärmetauscher ungezielt verformt.
  • Die gestellte Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale erfindungsgemäß gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Aneinanderreihung von Kurvenabschnitten ergibt über die gesamte Länge eines Profilröhrchens einen vollständigen Wellenzug, der ein kontrolliertes Ausknicken eines gesamten Röhrchens bzw. eines gesamten Röhrchenkollektivs einer Schicht bei Relativdehnungen durch Wärmedehnungen oder durch stoßbedingte Dehnungen bzw. Stauchungen im Verhältnis zu deren äußeren Einspannung ermöglicht. Die Profilröhrchen können sich somit trotz beidseitig fixierter Einspannungen und fester Verbindung an den Stellen der Abstandshalter kontrolliert und nur mit geringen inneren Spannungen unter der Wirkung von Temperaturdifferenzen und -gradienten in der Länge ausdehnen und kontrahieren, ohne daß die Strömungsquerschnitte zwischen benachbarten Profilröhrchen wesentlich verändert werden. Es muß dabei betont werden, daß die Profilröhrchen aus einem Stück gefertigt sind, und die einzelnen Kurvenabschnitte lediglich gebogene Teilabschnitte eines Profilröhrchens darstellen.
  • In Folge der S-förmigen Krümmung der Profilröhrchen erfolgt der Ausgleich von Verbiegungen in der Ebene einer Profilröhrchenschicht durch Torsion der Kurvenabschnitte zwischen Abstandshaltern, wodurch ein geringerer Widerstand gegen Verbiegungen und somit geringere Spannungen gegenüber ungekrümmten Profilröhrchen erzielbar sind.
  • Der erhebliche Vorteil der neuen Formgestaltung der Profilröhrchen liegt darin, daß die Abstandshalter an den Stellen ihrer maximalen Auslenkungspunkte und den Zwischenpunkten spielfrei fixiert werden können, wodurch das Kollektiv der Profilröhrchen an diesen Stellen gegen Schwingungen und Stoßkräfte fest abgestützt werden kann. Der Dehnungsausgleich erfolgt dann durch Stauchen oder Strecken der Profilröhrchen auf jeweils der Länge zweier aneinander stoßender Kurvenabschnitte, d.h. zwischen je zwei Fixierpunkten, die entlang einer gesamten Rohrstrecke zumindest zweimal auftreten. Für die gleiche Relativdehnung ergeben sich dabei Querauslenkungen, die etwa um den Faktor 3 geringer sind als diejenigen von bekannten Ausführungen.
  • In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung weisen die Kurvenabschnitte konstante Krümmungsradien auf, wodurch eine einfache Herstellbarkeit der Kurvenabschnitte erreichbar ist. Dabei ist es von Vorteil, wenn alle Kurvenabschnitte den gleichen Krümmungsradius aufweisen, der etwa im Bereich von 1 bis 2fachen Länge der Kurvenabschnitte beträgt. Bei einem beispielsweise aus acht Kurvenabschnitten zusammengesetzten Profilröhrchen lassen sich auf diese Weise die für die Durchströmung wichtigen Abstände zwischen den Profilröhrchen auch bei großen Temperaturdifferenzen ausreichend groß halten. Die Stellen minimalen Abstandes zwischen zwei Profilröhrchen treten an den Wendepunkten auf, d.h., an Stoßstellen zweier entgegengesetzt gekrümmter Kurvenabschnitte.
  • In alternativer Ausbildung der Erfindung weisen die Kurvenabschnitte sinusförmigen Kurvenverlauf auf. Dabei sind zwei alternative Ausführungsformen eines sinusförmigen Kurvenverlaufes möglich. Gemäß einer bevorzugten Alternative bilden zwei Kurvenabschnitte zusammen einen vollständigen Sinuszug, wobei die gedachte Winkelachse die gradlinige Verbindung zweier Fixierpunkte darstellt. Somit entsprechen die Fixierpunkte dem Winkel 0 bzw. 2 π während die Wendestellen, an denen zwei entgegengesetzt gekrümmte Kurvenabschnitte auf einander treffen dem Winkelπ/ 2 entspricht.
  • Gemäß einer alternativen Ausführungsform bilden zwei Kuvenabschnitte zusammen einen halben Kosinuszug. D. h. die gedachte Winkelachse ist parallel gleich beabstandet zu den Profilröhrchentangenten an den beiden Fixierstellen. Die beiden Fixierstellen entsprechen somit den Winkeln 0 und π.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, daß die Profilröhrchen etwa ellipsenartigen Querschnitt aufweisen, wobei die einzelnen Kurvenabschnitte um die Halbachse mit dem geringeren Biegewiderstandmoment gebogen sind. Ein derartig ellipsenartiger Querschnitt ermöglicht eine aerodynamisch günstigere Umströmung der einzelnen Profilröhrchen. Alternativ wäre es doch auch denkbar, die Profilröhrchen mit Kreisquerschnitt zu fertigen, um eine vereinfachte Herstellung zu erzielen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Seitenansicht eines Wärmetauschers mit einem Profilröhrchen zwischen zwei teilweise dargestellten Sammelbehältern und
    Fig. 2
    eine Draufsicht des Wärmetauschers mit einer Profilröhrchenreihe zwischen den beiden teilweise dargestellten Sammelbehältern.
  • In Fig. 1 ist ein Profilröhrchen 1 dargestellt, daß mittels zweier Befestigungspunkte 2a, 2b an zwei nur teilweise gezeichneten Sammelbehältern 3a und 3b angebracht ist. Dabei kann einer der beiden Sammelbehälter 3a, 3b auch ein Umlenkabschnitt einer beispiesweise U-förmigen Profilrohrmatrix sein. Parallel zum Profilröhrchen 1 sind eine Vielzahl gleichartiger, regelmäßig beabstandeter Profilröhrchen 4 vorgesehen, die zusammen mit dem gezeigten Profilröhrchen 1 eine vollständige Matrix bilden, durch die ein Strömungsmedium beispielsweise vom Sammelbehälter 3a zum Sammelbehälter 3b geleitet wird. Dabei wird der innerhalb der Profilröhrchen 1,4 fließende Fluidstrom von einem außen im Kreuzstrom vorbeifließenden Fluidstrom, dessen Strömungsrichtung mit 12 bezeichnet ist, zum Wärmetausch veranlaßt. Üblicherweise wird der innerhalb der Profilröhrchen 1,4 strömende Fluidstrom dabei aufheizt.
  • Das in Fig.1 dargestellte Profilröhrchen 1 besteht im wesentlichen aus acht gleichlangen Kurvenabschnitten 5, die an den Wendestellen 6 aneinander anschließen. Dabei sind die Kurvenabschnitte 5 nur verschieden gekrümmte Bereiche des integral hergestellten Profilröhrchens 1, d. h, es werden keine Vielzahl von Kurvenabschnitten 5 zusammengefügt, sondern ein Profilröhrchen 1 wird entsprechend in die Kurvenabschnitte gebogen. Ferner sind die Kurvenabschnitte 5 abwechselnd entgegengesetzt -nach links bzw. nach rechts- gekrümmt zur Bildung einer schlangenlinienartigen Kontur, die einem im wesentlichen S-förmigen Verlauf überlagert ist.
  • Das Profilröhrchen 1 weist zwei Punkte maximaler Auslenkung 7a und 7b auf, zwischen denen ein von beiden Punkten 7a, 7b gleichweit entfernter Zwischenpunkt 8 vorgesehen ist. Im Bereich zwischen den Punkten maximaler Auslenkung 7a und 7b sind je zwei Kurvenabschnitte 5 so angeordnet, daß die Krümmungsmittelpunkte auf abwechselnd entgegengesetzten Seiten des Profilröhrchens 1 liegen, so daß alternierend eine Links- und Rechtskrümmung vorhanden ist. Insgesamt liegen vier Kurvenabschnitte 5 zwischen den Punkten maximaler Auslenkung 7a und 7b.
  • Die Tangenten 11 an den Profilröhrchensverlauf in den Punkten maximaler Auslenkung 7a, 7b und im Zwischenpunkt 8 sind parallel. Ferner sind an den Punten 7a, 7b und 8 Abstandshalter 9 vorgesehen, mit denen die Abstände zu benachbarten Profilröhrchen 4 - die aus Übersichtsgründen in Fig.1 nicht eingezeichnet sind - eingehalten werden (Fixierpunkte). Die Tangenten 11 an den Befestigungspunkten 2a, 2b sind ebenfalls parallel zu den obengenannten Tangenten.
  • Die Kurvenabschnitte 5 können konstante Krümmungsradien aufweisen, so daß sie als Kreisabschnitte anzusehen sind, oder sie können sinusförmigen Verlauf haben.
  • Im Betrieb wird der Wärmetauscher thermischen Dehnungen ausgesetzt sein, wobei gleichzeitig die Sammelbehälter 3a, 3b und die Abstandshalter 9 ortsfest fixiert sein können. Dadurch ergibt sich der mit 10 bezeichnete, gestrichelt eingezeichnete Verlauf des Profilröhrchens 1, der also eine Thermodehnung des Profilröhrchens 1 zuläßt, ohne daß eine Gesamtformänderung des Wärmetauschers eintritt. Bei einer derartigen thermisch bedingten Verformung der Kurvenabschnitte 5 des Profilröhrchens 1 tritt an denjenigen Wendestellen 6, die nicht gleichzeitig Fixierpunkte 7a, 7b, 8 sind, die größtmögliche Annäherung an benachbarte Profilröhrchen 4 auf, während aufgrund der Abstandshalter 9 an den letztgenannten Fixierpunkten keinerlei Veränderung des Abstandes zwischen einzelnen Profilröhrchen 1,4 zu beobachten ist. Um unter allen Betriebsbedingungen eine für den Durchfluß notwendigen Mindestabstand benachbarter Profilröhrchen 1, 4 zu erhalten, ist der Krümmungradius der Kurvenabschnitte 5 bzw. die Amplitude des sinusförmigen Kurvenabschnittes 5 derart zu bemessen, daß bei maximaler temperaturinduzierter Dehnung die Minimalabstände noch so groß sind, daß die minimal zulässigen Strömungsquerschnitte zwischen benachbarten Profilröhrchen 1,4 nicht unterschritten werden. Beispielsweise bei einer Dicke der Profilröhrchen 1,4 von 1,6 mm und einer Temperaturdifferenz zwischen warmem und kaltem Zustand von 100 K ist der Krümmungsradius bei einer Länge der Kurvenabschnitte von 2,5 cm etwa im Bereich von 3 - 4 cm zu wählen.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten Draufsicht ist zu sehen, daß die Profilröhrchen 1,4 breiter sind als in der Seitenansicht gemäß Fig. 1, was darauf zurückzuführen ist, daß die Profilröhrchen 1,4 etwa ellipsenförmigen Querschnitt aufweisen. Zweckmäßigerweise erfolgt die Anströmung in der mit 12 bezeichneten Richtung und somit in Richtung der großen Achse der ellipsenfömigen Profilröhrchen 1,4. Entlang regelmäßig beabstandeter Stellen sind die Abstandshalter 9 angebracht, die sowohl die in Richtung der großen Ellipsenachse beabstandeten Profilröhrchen 1,4 (Fig.2) als auch die in Richtung der kleinen Achse beabstandeten Profilröhrchen 1,4 (Fig. 1) in einem definierten Abstand halten.

Claims (9)

  1. Wärmetauscher, bei dem zwei Sammelbehälter (3a,3b) über eine Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten Profilröhrchen (1,4) miteinander verbunden sind, wobei die Profilröhrchen (1,4) S-förmig gekrümmt sind und an ihren Punkten (7a,7b) maximaler Auslenkung und an von diesen gleich weit entfernten, Fixierpunkte ausbildenden Zwischenpunkten (8) Abstandshalter (9) aufweisen, mit denen die Abstände zu benachbarten Profilröhrchen festgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilröhrchen (1,4) eine Anzahl aneinanderstoßender Kurvenabschnitte (5) aufweisen, wobei zwischen benachbarten Fixierpunkten (7a,8; 7b,8) zwei entgegengesetzt gekrümmte Kurvenabschnitte (5) liegen und die Profilröhrchentangenten (11) in den Punkten maximaler Auslenkung (7a, 7b) und den Zwischenpunkten (8) etwa parallel sind.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenabschnitte (5) konstante Krümmungsradien aufweisen.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Profilröhrchen (1) acht Kurvenabschnitte (5) aufweist, derart, daß zwischen den Punkten maximaler Auslenkung (7a, 7b) und den Befestigungspunkten (2a, 2b) an den Sammelbehältern (3a,3b) einerseits sowie dem Zwischenpunkt (8) andererseits je zwei Kurvenabschnitte (5) vorgesehen sind, und die Profilröhrchentangenten (11) in den Befestigungspunkten (2a, 2b) an den Sammelbehältern (3a,3b) mit den Profilröhrchentangenten (11) in den Zwischenpunkten (8) fluchten.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius das 1 - 2fache, vorzugsweise das 1,6fache der Länge der Kurvenabschnitte beträgt.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenabschnitte (5) sinusförmigen Kurvenverlauf aufweisen.
  6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kurvenabschnitte (5) zusammen einen vollständigen Sinuszug (0....2 π) ergeben.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kurvenabschnitte (5) zusammen einen halben Cosinuszug (0...π) ergeben.
  8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die Profilröhrchen (1) Kreisquerschnitt aufweisen.
  9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilröhrchen (1) etwa elliptischen Querschnitt aufweisen, wobei die Krümmung um die Halbachse mit dem geringeren Biegewiderstandsmoment erfolgt.
EP90102376A 1989-02-11 1990-02-07 Wärmetauscher Expired - Lifetime EP0383173B1 (de)

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