NO160741B - Varmeveksler og frte til fremstilling av en slik. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en varmeveksler samt en fremgangsmåte for fremstilling av denne, ifølge kravenes innled-ninger.

Fra DE 2 907 810 er en varmeveksler kjent hvis kryss-motstrømsmatriks som ligger i varmgasstrømmen, består av separate rør eller lansettformede, hule strømningsprofiler som på den ene side er tilkoblet en første stasjonær rørføring for trykklufttilførsel til vedkommende matrikskanaler og på den annen side en andre stasjonær rørføring hvorfra den via matriksen oppvarmede trykkluft skal tilføres en forbuker.

Her kan de to adskilte rørføringer enten være integrert i et felles oppsamlingsrør eller de kan være dannet av i det vesentlige parallelle, ved siden av hverandre anordnede enkeltrør. Fortrinnsvis skal ved en slik varmeveksler vedkommende trykk-luf tkanalføringer (rør, profiler) i matriksen være anordnet sideveis U-formet utragende i forhold til vedkommende oppsam-lingsrør.

Også utforminger av varmevekslere er tenkbare hvor den av rør eller profiler dannede matriks som mates med varmgas-sene, ikke forløper sideveis U-formet utragende, men hvor vedkommende rør eller profiler i matriksen, eksempelvis er tilkoblet et luftinntaksrør og løper ut i en vendesamlekasse med deres andre ender, idet deres restlige matriksdel som er dannet av rør eller profiler, på den annen side igjen etter vendingen er tilkoblet på utsiden av oppsamlingskassen og på den annen side er sammenkoblet med en ytterligere rørføring hvorigjennom den oppvarmede trykkluft kan tilføres vedkommende forbruker.

Ved de foran beskrevne utforminger av varmevekslere foreligger forholdsvis store vanskeligheter ved å oppnå en driftssikker forankring, hhv. feste av matriksprofilene eller rørene med vedkommende varmevekslerbunn. En hittil omtalt fremgangsmåte hvor vedkommende matriksrør eller -profiler skulle sveises eller loddes til bunnen i varmeveksleren, var på den ene side ikke tilstrekkelig med hensyn til kravene til den ønskede styrke i matriksforbindelsen ved samtidig sikring av en optimal avtetting og især med hensyn til meget forskjellige temperaturbelastninger, eksempelvis ved en turbo-maskins, hhv. et gassturbindrivverks ikke stasjonære drifts-tilstand, med etterfølgende materialspenninger. som i det minste, ved lengre drift har ført til riss i overgangsområdet mellom vedkommende profil og varmevekslerens bunn. Det kan nemlig.forventes at vedkommende matrisekantområde i varmeveksleren følger meget hurtigere temperaturforandringene i gass og luft enn det resterende rørområde da her den flate som står til rådighet for varmeoverføring er vesentlig større.

For opprettelse av den innledningsvis nevnte utforming av varmevekslere utgås fra en ytterst nøyaktig fremstilling av åpningene i varmevekslerbunnen, hhv. i bunnene for å kunne innsette rørene eller profilene i bunnene, idet det kreves en hensiktsmessig tilpasning av de mange boringer og en tilsvarende nøyaktig tilpasning av rørendene, hhv. profilendene for monteringen, og især i sammenheng med færrest mulig og mest mulig ensartet dimensjonerte loddefuger for på forhånd å kunne utelukke ulike loddeansamlinger lokalt ved den senere sammen-føyning av matriksen med varmevekslerens bunn. Dette kan i praksis på den ene side føre til en mangelfull forbindelse og på den annen side til utettheter.

Innenfor rammen av den foran nevnte problematikk i forbindelse med utforminger av varmevekslere, ligger oppfinnel-sens oppgave i å oppnå en optimal forbindelse (profil/bunn) med hensyn til nødvendig styrke og tetthet til tross for veks-lende temperaturpåvirkninger. Innenfor rammen av den stilte oppgave frembringes videre en varmeveksler hvor matrikstil-koblingsområdet (bunnen) for profilene eller rørene kan frem-stilles ved modullignende sammenføyning for å oppnå en sammen-ligningsvis billigere masseproduksjon, idet de termiske og styrkemessige krav i størst mulig utstrekning skal tilfreds-stilles. Løsningen av den stilte oppgave oppnås ifølge oppfinnelsen med de i kravenes karakteriserende deler anførte trekk.

Ved oppbygningen av den ifølge oppfinnelsen angitte varmeveksler oppnås bl.a. på enklest mulig måte en formover-ensstemmende forankring og feste av rørendene og profilendene i matrisen til varmevekslerens bunn, idet det derved ikke lenger foreligger behov for den ytterst nøyaktige fremstilling og relativt nøye opprettholdelse av toleranser ved åpningene i varmevekslerens bunn. Samtidig oppnås muligheten for en letter deleutskifting av eventuelle skadde elementer i bunnen.

En ytterligere, vesentlig fordel ved oppfinnelsen ligger i at det kan oppnås en termoelastisk fleksibel bunn i varmeveksleren slik at mulige knekk i profilene som kunne oppstå ved forskjellige temperaturgradienter, i det vesentlige er utelukket. I tillegg muliggjør oppfinnelsen ved ut-formingsmuligheten av varmevekslerbunnens konstruksjon, eksempelvis en optimal aerodynamisk tilstrømning av det medium som skal forvarmes (trykkluft) fra et oppsamlingsrør, dvs. fra innsiden av varmevekslerbunnen til matrisens profiler.

I det etterfølgende beskrives oppfinnelse på grunnlag av utførelser vist på tegningen med figur 1-17.

Ifølge oppfinnelsen skal bunnen av et felt med stenger, rør eller profiler, hhv. lansettformede hulprofillegemer, eksempelvis 12, 13 (figur 1) være oppdelt slik at de i fel-tet bak hverandre liggende profiler er tilordnet et sjikt 10, hhv. 11. Bunnkonstruksjonen for å holde og tilordne hulprofillegemene, eksempelvis 12, i et sjikt 10, består av to komplementære strimmelformede plateskall 14, 15 som er profilert lokalt slik at de omslutter de til et sjikt 10 hørende profiler ved deres føtter med utforminger 19, 20 (se figur 2,

3, 4 og 5). Figur 1 viser prinsipielt og eksempelvis en varmeveksler som med lansettformede rør danner et profilfelt med sjiktet 10, 10', 11 ifølge oppfinnelsen (tydeliggjort ved ulik skravering) og hvis spesielle mulighet til utforming er beskrevet i det følgende. Figur 2 og 3 viser komplementære utsnitt av de strim-melf ormede plateskall 14, 15, som etter sammenføringen ved hjelp av deres tilsvarende lokale profilering 19, 20, omslutter føttene av de i utførelsen på figur 1 viste lansett-rørprofillegemer 12.

Den på denne måte dannede kombinasjon som på figur 4 og 5 er vist uten lansettrørprofilene i utførelsen på figur 1, er prinsipielt grunnelementet som et sjikt av bunnkonstruksjonen ifølge oppfinnelsen sammensettes av. Figur 5 viser hvorledes disse elementer gjentas i sjiktets lengderetning.

I et slikt sjikts høyde kan ulike avsnitt 1, 1', 2, 2', 3,

3' tydelig ses adskilt, idet disse også har funksjonelt ulike oppgaver. Den øvre veggdel 1, 1' tjener til å holde og plas-sere de lokalt utmunnende rør eller profillegemer. Den nedre veggdel 2, 2' danner kontaktflaten til det neste sjikt med

sin utad vendende sidevegg. Den kan også oppta lengde- eller bøyespenninger som et resultat av de driftsbelastninger som oppstår i den beholderbunn som er strukturert av sjiktene. Derimellom ligger en overgangsdel 3, 3' som har bredden av det sjikt som er dannet av to platestrimler. Med formen og forløpet av delene 3, 3', mellom delene 1, 1' og 2, 2', oppnås påvirkning på den strukturerte beholderbunns stivhet samt bunnens belastningsopptak og belastningsoverføring især i breddens retning.

Ved formgiving av platestrimlene, hhv. skallene kan det presses inn velgbare overflatekonturer og relieffaktige profileringer, eksempelvis i form av knuter, bølger eller folder, hvormed de lokale egenskaper i utformingen, i sammenheng med strukturens stivhet, kan tilpasses kravene ved frem-stillingen og driftsbetingelsene.

Sammenføyningen av delene til et komplett sjikt fore-går ved at de rør eller hullprofillegemer som tilhører sjiktet bringes i stilling og deretter omsluttes deres ben av de tilsvarende utformede deler 19, 20 på de komplementære platestrimler. Ved hjelp av tilsvarende formverktøy sammenpresses deretter delene uten klaring og sammenføyes med material-forbindelse ved deres kontaktanliggende sideflater. Dette kan foregå ved sveising, lodding eller diffusjonsforbindel-ser.

De på denne måte kompletterte sjikt anordnes deretter ved siden av hverandre slik at det rør- hhv. profilfelt som er vist eksempelvis på figur 1, oppstår. Sett i tverrsnitt står derved sjiktene ved siden av hverandre som på figur 6 slik at delens 2, 2' ytterflater berører hverandre. ;', Ved materialforbindende sammenføyning av disse flater oppstår således bunnen av rør- hhv. profilfeltet. Figur 7 viser et utsnitt av den på denne måte dannede bunn, sett fra profilfeltets retning. Figur 8 viser den motstående side av denne konstruksjon. Ved en rør/profilvarmeveksler strømmer et strømnings-medium, eksempelvis trykkluft, inn i matriksens indre tverrsnitt fra denne side av beholderveggen som danner bunnkonstruksjonen. For å begunstige tilstrømningen kan det være hensiktsmessigå gi de nedre veggdeler 2, 2' av platestrimme-len et bølgeformet forløp, slik det er vist på figur 9. Herved skal det bemerkes at de nedre veggdelers 2, 2<1> lengde- og bøyestivhet kan påvirkes. Ved brodannelse ved stedet 4 (figur 9) kunne en statisk ustabilitet motvirkes ved påvirkningen av driftskreftene. Figur 10 viser, sett fra profilen på figur 1, en ytterligere mulighet til en strukturert bunn ifølge oppfinnelsen. Fugene F har herved et periodisk knekket forløp. Figur 11 viser denne konstruksjon sett bakfra (sett fra varmevekslerbunnens innside) og figur 12 viser et tverrsnitt. Figur 13 viser et tverrsnitt av en variant hvor over-gangsdelene 3", 3'" har en kortere utstrekning enn på figur 5 eller figur 6. Stegene 1, 1', se også figur 14, av den til enhver tid øvre anordnede del, er i dette eksempel skå-ret bort (utskjæring 23). Herved påvirkes strukturens termiske utvidelse og de øvre veggdelers stivhet minskes og dermed nedsettes den uønskede innføring av spenninger i dette område.

Ved formgiving av metallstrimlene, hhv. -skallene på kritiske steder, eksempelvis ved utsparingenes indre radier eller ved deres nedre kant, kan forsterkende platekraver ut-formes .

Figur 14 viser også med varianten på figur 13 hvorledes bunnkonstruksjonen dannes ved de i hverandre førte sjikt.

Den bunn som oppstår ved sammenføyning av sjiktene kan være plan eller krum, avhengig av beholderens eller delens generelle form, som den er en del av. Den plane bunn dannes ved rettlinjede, krumme sjikt hhv. sjikt som følger krummin-gen.

Hvert sjikt kan være del av en ramme med lukket omkrets. Ved sammenføringen av sjiktene oppstår således en beholder hvis omkrets dannes av nevnte ramme. Denne ramme kan både ha en kantet og en rund utforming. I siste tilfelle oppstår ved sammenføringen av sjiktene, en rund beholderman-tel.

Pålegging av en slik rammes omkrets med rør eller hulprofillegemer kan utføres i deler. De deler 1, 1' av lagene som ikke er belagt med rør eller hulprofillegemer har således et lukket forløp, men kan være strukturert reliefformet for på optimal måte å påvirke totalkonstruksjonens stivhetsforløp.

Ved tilsvarende utforming, især av de øvre veggdeler

1, 1' av strimlene, hhv. skallene, kan rørenes og hulprofil-legemes tilkoblinger også munne ut i en fra 9 0° avvikende vinkel til sjiktene.

Figur 15 viser eksempelvis en situasjon med et matrise-hullprofillegeme 25 som munner ut i varmevekslerbunnen til-nærmet tangentialt, i tillegg til tilordnede profiltilkob-lingsdeler 24 i bunnsiden.

Bunnkonstruksjonens sjiktoppbygging, som eksempelvis ovenfor beskrevet og vist i tverrsnitt på figur 6, 12, 13, kan også foregå ved at sjiktet forløper skrueformet over en beholders omkrets og mantel og hvor sideflensene i dette sjikt for hver ny vikling ligger ved siden av hverandre og sammen-føyes til mantelen.

Ved en lukket beholdervegg kan sammenføyningen av de stegformede, innad ragende nedre veggdeler 2, 2' i sjiktene, foregå ved felles avsmelting av den indre kant i to slike, ved hverandre anordnede veggdeler 2, 2', som skal sammenføyes. Figur 6 og 13 viser tydelig at det ved sammenføyningen av sjiktene oppstår en elastisk konstruksjon i breddens retning. Denne konstruksjonselastisitet kan benyttes, eksempelvis til kompensasjon av termisk lengdeutvidelse. På den annen side er det likeledes tydelig at denne konstruksjon mest mulig bør befries for strekkbelastninger i lengderetningen, slik det eksempelvis oppstår ved en trykkbeholders deksel. Det fore-slås derfor, for det tilfelle at den av konstruksjonen ifølge oppfinnelsen dannede vegg er del av en trykkbeholders mantel, å fange opp de hydrauliske krefter i dekslet via en spesiell støttekonstruksjon. Denne kan være en rammekonstruksjon be-stående av staver eller også veggkonstruksjonen i et eventu-elt i alle tilfeller nødvendig varmevekslerhus. Figur 16 viser i tverrsnitt en utførelse av konstruksjonen ifølge oppfinnelsen hvor det for forbindelsen av enk-eltdelene kun benyttes buttfuger. Figur 17 viser forløpet av sveisesømmen 27 for forbindelse av de to komplementære strimmelformede plateskall 14, 15 i et sjikt, hvor det benyttes buttfuger. Den på denne måte dannede sjiktkonstruksjon lukkes mot de tilstøtende sjikt likeledes ved hjelp av en buttsøm 28 (figur 16); som danner bro over de nedre sideveis tilslutningslepper. ; På dette sted er senere også en adskillelse av forbindelsen mulig når eksempelvis enkelte ledd av kontruksjonen må veksles ut ved repara-sjon.

I den øvre del av det konstruksjonssjikt som oppstår ved sammenføyning av de to komplementære plateskall 14, 15, dannes tilkoblingsutmunningene, til hvilke de lansettformede hulprofillegemer 12, 13, som vist på figur 17, lukkes likeledes ved hjelp av buttsømmer 26, noe som er nærmere vist på figur 16.

Selv om dette ikke er vist på tegningen kan de øvre veggdeler av hvert komplementært plateskall i et sjikt være slik utformet med hensynt til lengde og utforming av vedkommende profilutforming at et sjikt ved sammenføyning av de to plateskall, samtidig danner matrikshullprofillegemet, fortrinnsvis i lansettform.

Slik det heller ikke er vist kan matrikshullprofillegemet ifølge oppfinnelsen, især ved dobbeltsidig utmunning og feste mellom to rørlegemer, hvorav det ene eksempelvis er innrettet for trykklufttilførsel til matriksen og det andre for varmlufttransport fra matriksen, være utstyrt med et fortrinnsvis i midten mellom de to rørlegemer anordnet knekkfor-met forløp for forhøyet bøyefleksibilitet. Denne variant av varmeveksler kunne utfylles ved at et for varmlufttransport innrettet andre rørlegeme kunne være utformet som ombøynings-legeme for varmluftstrømning, hvorfra den fra den første matriksdel forvarmede trykkluft på nytt kunne tilføres en i det vesentlige paralleltmed den første matriksdel forløp-ende andre matriksdel som er forbundet med et rørlegemes varmevekslerbunn, hvorfra den fra begge matriksdeler oppvarmede trykkluft kunne tilføres en forbruker.

Ved en ytterligere fortrukket varmeveksler kan dens

i varmgasstrømmen liggende kryssmotstrømsmatriks bestå av separate rør eller lansettformede, hule strømningsprofiler

som på den ene side tilkobles den første stasjonære rørføring for trykklufttilførsel til vedkommende matrikskanaler og på

den annen side tilkobles en andre stasjonær rørføring, hvorfra den via matriksen oppvarmede trykkluft, tilføres en forbruker, idet de to adskilte rørføringer enten er integrert i et felles oppsamlingsrør eller er dannet av i det vesentlige parallelt ved siden av hverandre anordnede enkeltrør og hvor varmevekslermatriksen, hhv. dennes trykkluftkanalføringer (rør, hulprofiler) i forhold til vedkommende rør forløper utragende sideveis i U-form.

Claims (17)

1. Varmeveksler for gasser med meget ulike tempe-raturer, hvor en kryssmotstrømsmatriks som skal utsettes for en varmgass-strøm, dannet av et større antall for varra-gassens strømning gunstig utformede, lansettformede og parallelt med hverandre anordnede hulprofillegemer (20") som i siden er forbundet med minst en varmevekslerbunn (B) som er bestanddel av et samlerør, hvormed trykkluft kan tilføres og/eller transporteres bort fra matriksen, KARAKTERISERT VED at varmevekslerbunnen (B) består av i samlerørets lengderetning sammensatte enkelte sjikt (10, 11) som langs deres motstående kontaktflater er forbundet fluidtett med hverandre, at hvert sjikt (10, 11) består av to komplementære plateskall (14, 15) med mot hverandre vendende, åpne utforminger (19, 20) som i til et sjikt sammensatt tilstand danner matriksens hulprofillegemer (20') eller hvormed hulprofil-legemenes ender kan omsluttes fluidtett eller kan forbindes fluidtett med overenstemmende ender, og at de to plateskall (14, 15) i et sjikt (10) mellom seg omslutter utsparinger (16) som Står i forbindelse med hulprofillegemene (20') eller vedkommende utforminger (19, 20) på tilkoplingssiden og er åpne mot innsiden av varmevekslerbunnen.

2. Varmeveksler ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at de enkelte sjikt (10, 10', 11) og de enkelte plateskall (14, 15) er slik anordnet og utformet at de strømnings-gunstig tilspissede ender i en første, i rørenes lengderetning forløpende matriksprofilrekke (17, 18) ved sammenføyet varmevekslerbunn, griper mellom de tilstøtende, tilsvarende profilerte ender av en ytterligere profilrekke (12, 13) som strekker seg i rørenes lengderetning.

3. Varmeveksler ifølge krav 1-2, KARAKTERISERT VED at de ytre veggdeler (1, 1') i tilslutning til utformingene (19, 20) i et sjikts to plateskall (14, 15), er utformet for gjensidig feste og for å posisjonere og holde tilstøtende profiler.

4. Varmeveksler ifølge krav 1-3, KARAKTERISERT VED at de komplementære plateskalls (14, 15) indre deler (2, 2') som forløper i sjiktets lengderetning omfatter i det minste en del av utsparingene (16) i innsiden av varmevekslerens bunn.

5. Varmeveksler ifølge krav 1-4, KARAKTERISERT VED at det er anordnet skråstile eller lett buet utformede overgangsdeler (3, 3') som avgrenser et sjikts romlige bred-de, mellom de ytre veggdeler (1, 1') i et sjikts (10) to plateskall (14, 15) og de indre veggdeler (2, 2').

6. Varmeveksler ifølge krav 1-5, KARAKTERISERT VED at plateskallene (14, 15) har relieff-formede overflatekonturer, eksempelvis i form av knuter, bølger eller folder.

7. Varmeveksler ifølge krav 1-6, KARAKTERISERT VED at plateskallenes (14, 15) indre veggdeler (2, 2') har et bølget forløp som tilsvarer matriksprofilkonturen, idet det mellom de av bølgene dannede smaleste steder (4) er anordnet materialforbindende brodannelser.

8. Varmeveksler ifølge krav 1-6, KARAKTERISERT VED at de indre veggdeler (2, 2') i de enkelte plateskall har et periodisk knekket fugeforløp (fugesteder F) umiddel-bart nær de enkelte matriksprofilendeområder (10).

9. Varmeveksler ifølge krav 1-8, KARAKTERISERT VED at de enkelte plateskalls overgangsdeler (3", 3") mellom de ytre (1, 1') og de indre veggdeler (2, 2') er utført avkortet i vinkel, idet de ytre veggdeler (1, 1') fortrinnsvis i de områder som ligger mellom to utforminger (19, 20) i et sjikt, hhv. som grenser til utforminger (21, 22) i et tilstøtende sjikt, har utsparinger (23) (figur 14).

10. Varmeveksler ifølge krav 9, KARAKTERISERT VED at utsparingenes nedre kanter har forsterkende platefolder.

11. Varmeveksler ifølge krav 1-10, KARAKTERISERT VED at hvert sjikt (10, 10', 11) er del av en ramme med lukket omkrets og at de sammenføyde sjikt ikke bare danner varmevekslerens bunn (B), men danner et komplett samlerør hvis omkrets er dannet av rammen, idet samlerøret har et kvadratisk, polygonalt eller sirkelformet tverrsnitt.

12. Varmeveksler ifølge krav 1-11, KARAKTERISERT VED at de i varmeveksler bunnens kantområde liggende ytre veggdeler (1, 1', 3, 3') av plateskallet kan utstyres med utforminger (24) for en i det vesentlige tangential tilkop-ling av ett eller flere profillegemer (25) på varmevekslerens bunn.

13. Varmeveksler ifølge krav 1-12, KARAKTERISERT VED at plateskallene (14, 15) danner skruelinjeformet viklet samlebeholder hvor de indre veggdeler (2, 2') for hver om-vikling kommer til å ligge ved siden av hverandre og er sammenføyd.

14. Varmeveksler ifølge krav 1-14, KARAKTERISERT VED at indre veggdeler (2, 2') som er i kontakt med hverandre, sammenføyes ved felles avsmelting av de stegender som rager frem i varraevekslerbunnens indre.

15. Varmeveksler ifølge krav 1-14, KARAKTERISERT VED at hulprofillegemene (12, 13) med buttsveisesømmer (26) er forbundet med de tilhørende utforminger (19, 20) i plateskallene (figur 16).

16. Varmeveksler ifølge krav 1-15, KARAKTERISERT VED at to komplementære skall i et sjikt og et sjikt til et tilstøtende sjikt forbindes med buttsveising (fig. 16 og 17).

17. Fremgangsmåte for fremstilling av en varmeveksler ifølge krav 1-16, KARAKTERISERT VED å benytte en anord-ning hvormed matriksprofillegemenes ender kan omsluttes fluidtett av utformingene i et sjikts to plateskall, hvor hulprofillegemene først bringes i den krevede stilling, hvor deres fotpartier deretter omsluttes av tilsvarende tilordnede profilutsparinger i plateskallene, hvoretter delene sammenpresses uten klaring og deretter sammenføyes, eksempelvis ved sveising, lodding eller diffusjonsforbind-elser, over deres kontaktgivende sideflater,"fortrinnsvis plateskallenes ytre veggdeler (1, 1'), og deretter å legge de kompletterende enkeltsjikt rekkevis tett på hverandre slik at de med hverandre i kontakt anordnede indre veggdeler (2, 2') kan sammenføyes likeledes eksempelvis ved hjelp av sveising, lodding eller diffusjonsforbindelse.