DE2138109A1

DE2138109A1 - HEAT EXCHANGER

Info

Publication number: DE2138109A1
Application number: DE2138109A
Authority: DE
Inventors: Eggert Dipl Ing Tank; Eberhard Dipl Ing Tiefenbacher
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1971-07-30
Filing date: 1971-07-30
Publication date: 1973-02-08
Also published as: US3820595A; IT960995B; FR2148085A1; GB1387469A; FR2148085B1

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 8499/4 Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 8499/4

Stuttgart-Untertürkheim 2 7. Juli 1971Stuttgart-Untertürkheim 2 July 7th, 1971

"Wärmetauscher""Heat exchanger"

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, besonders für Fahrzeuggasturbinen, der aus zwischen Kammern angeordneten Rohren, in denen ein erstes Medium strömt, und aus einem die Rohre umschliessenden Gehäuse., durch das ein zweites Medium strömt, zusammengesetzt ist.The invention relates to a heat exchanger, particularly for vehicle gas turbines, which consists of tubes arranged between chambers, in which a first medium flows, and from one which surrounds the pipes Housing., Through which a second medium flows, is composed.

Derartige Wärmetauscher werden durch hohe Temperaturen, das beträchtliche Temperaturgefälle der einzelnen Medien zwischen Einlaß und Auslaß sowie vor allem durch die großen Temperaturunterschiede zwischen den beiden Medien, z. B. zwischen den stark erhitzten Abgasen und der verhältnismäßig kalten Ansaugluft, thermisch hoch beansprucht. Den dadurch in den Bauteilen des Wärmetauschers hervorgerufenen hohen Wärmespannungen können sich noch zusätzliche Spannungen durch betriebsbedingte rasche Temperaturschwankungen, z.B. bei Lastwechsel einer Gasturbine, überlagern. Die thermisch besonders hoch beanspruchten Befestigungsstellen der Rohre an ihrer Einmündung in die Kammern sind meist zusätzlich erheblichen mechanischen Belastungen durch Biegemomente und Zugkräfte, die vom Überdruck eines Mediums hervorgerufen werden, ausgesetzt. Dadurch werden besonders die Wärmetauscher ortsbeweglicher Gasturbinen gefährdet, die kleine Abmessungen und ein geringes Gewicht erfordern, und die deshalb nur geringe Wandstärken aufweisen.Such heat exchangers are due to high temperatures, the considerable Temperature gradient of the individual media between inlet and outlet and, above all, due to the large temperature differences between the two media, e.g. B. between the strongly heated exhaust gases and the relatively cold intake air, thermally highly stressed. The thereby high thermal stresses caused in the components of the heat exchanger There may be additional stresses due to rapid operational temperature fluctuations, e.g. when a load changes Gas turbine, overlay. The fastening points of the pipes at their confluence with the chambers, which are particularly thermally stressed, are usually also significant mechanical loads due to bending moments and tensile forces caused by the overpressure of a medium are suspended. This particularly endangers the heat exchangers of portable gas turbines, the small dimensions and require a low weight, and therefore only have low wall thicknesses.

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ORIGINAL INSPECTEPORIGINAL INSPECTEP

- 2 - Daim 8499/4 - 2 - Daim 8499/4

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gefahr von Beschädigungen durch hohe Wärmespannungen zu beseitigen und einen Wärmetauscher zu schaffen, der auch starken Belastungen gewachsen ist. Dies geschieht dadurch, daß thermisch stark beanspruchte Wandteile der Kammern im' Bereich der Einmündungen der Rohre mit Dehnfalten versehen sind. Die Dehnfalten gleichen verschieden starke Wärmedehnungen durch ihre leichte. Verformbarkeit aus, so daß sich gefährliche Spannungen, die sonst besonders an den Verbindungsstellen der Rohre auftreten, nicht ausbilden können.The invention is based on the problem of reducing the risk of damage by eliminating high thermal stresses and using a heat exchanger to create that can also cope with heavy loads. This is done in that the thermally highly stressed wall parts Chambers in the 'area of the junctions of the pipes are provided with expansion folds. The expansion folds resemble different degrees of thermal expansion by their light weight. Deformability, so that dangerous tensions, which otherwise occur especially at the connection points of the pipes, can not train.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind einzelne Dehnfalten in Ausschnitte in der Kammerwand eingesetzt und mit dieser, z. B. durch Schweißen, verbunden. Die Dehnfalten können damit auf einfache Weise an all den Stellen angeordnet werden, an denen die stärksten Wärmedehnungen auftreten. Derartige Dehnfalten lassen sich auch noch nachträglich an den Kammern eines Wärmetauschers anbringen.According to a further feature of the invention are individual expansion folds used in cutouts in the chamber wall and with this, z. B. by Welding, connected. The expansion folds can thus be arranged in a simple manner at all the points where the greatest thermal expansion occurs appear. Such expansion folds can also be attached to the chambers of a heat exchanger at a later date.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Beschreibung angegeben.Further advantageous refinements of the invention are given in the description specified.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Beispiele näher erläutert. Es zeigenThe invention is illustrated by the examples shown in the drawing explained in more detail. Show it

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Einfach-Kreuzstrom-Wärmetauscher nach der Linie I-I der Fig. 2,1 shows a section through a single cross-flow heat exchanger according to the line I-I of Fig. 2,

Fig. 2 einen Schnitt durch diesen Wärmetauscher nach der Linie Π-II der Fig. 1 ohne Gehäuse,Fig. 2 is a section through this heat exchanger along the line Π-II of Fig. 1 without the housing,

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- 3 - Daim 8499/4 - 3 - Daim 8499/4

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Zweifach-Kreuzstrom-Wärme· tauscher nach der Linie ΙΙΙ-ΙΠ der Fig. 4,Fig. 3 is a section through a double cross-flow heat exchanger according to the line ΙΙΙ-ΙΠ of Fig. 4,

Fig. 4 eine Ansicht dieses Wärmetauschers ohne Gehäuse,4 shows a view of this heat exchanger without a housing,

Fig. 5 die in Fig. 3 dargestellte Dehnfalte in vergrößertem Maßstab,5 shows the expansion fold shown in FIG. 3 on an enlarged scale,

Fig. G einen Sclmitt durch diese Delinfalte nach der Linie VI-VI der Fig. 5,Fig. G a slit through this dolphin fold after the line VI-VI of Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt durch eine Lochplatte eines weiteren Wärmetauschers nach der Linie VII-VII der Fig. ö in vergrößertem Maßstab,7 shows a section through a perforated plate of a further heat exchanger along the line VII-VII in FIG on a larger scale,

Fig. 8 einen Schnitt durch diese Lochplatte nach' Linie VIH-Vni der Fig. 7,8 shows a section through this perforated plate along the line VIH-Vni of Fig. 7,

Fig. 9 eine Draufsicht auf die Lochplatte nach Fig. 7,FIG. 9 shows a plan view of the perforated plate according to FIG. 7,

Fig. 10 einen Schnitt durch einen ringförmigen Wärmetauscher nach der Linie X-X der Fig. 11,FIG. 10 shows a section through an annular heat exchanger along the line X-X in FIG. 11,

Fig. 11 einen Schnitt durch diesen Wärmetauscher nach Linie XI-XI der Fig. 10 und11 shows a section through this heat exchanger along line XI-XI in FIGS

Fig. 12 eine Draufsicht auf einen Teil der Lochplatte nach Fig. 11 in vergrößertem Maßstab.FIG. 12 shows a plan view of part of the perforated plate according to FIG 11 on an enlarged scale.

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-4--4-

- 4 - Palm 8499/4 - 4 - Palm 8499/4

Der in den Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Einfaeh-Kreuzstrom-Wärmetauseher für eine Fahrzeuggasturbine besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 11, durch das die Abgase der Turbine geführt werden, und aus einem Rohrbündel 12, durch das Luft strömt und dabei Wärme von den Abgasen aufnimmt. Die heißen Abgase gelangen durch eine Eintrittsöffnung 13 in den Wärmetauscher und verlassen diesen durch die Austrittsöffnung 14 in abgekühltem Zustand. Die Luft strömt durch einen Einlaßstutzen 15 in eine Kammer 16 und von dort durch die Rohre 17 des Rohrbündels 12 in die als Auslaßsammeiraum dienende Kammer 18, die sie in aufgeheiztem Zustand durch einen Auslaßstutzen 19 verläßt. Die Strömungsrichtungen der Abgase und der Luft sind durch Pfeile angezeigt. The single cross-flow heat exchanger shown schematically in FIGS for a vehicle gas turbine consists essentially of a housing 11 through which the exhaust gases from the turbine are passed, and from a tube bundle 12 through which air flows and thereby heat absorbs from the exhaust gases. The hot exhaust gases pass through an inlet opening 13 into the heat exchanger and leave it through the outlet opening 14 in the cooled state. The air flows through you Inlet connection 15 into a chamber 16 and from there through the pipes 17 of the tube bundle 12 into the chamber 18 serving as outlet collection space, which it leaves through an outlet connection 19 in the heated state. The flow directions of the exhaust gases and the air are indicated by arrows.

Wandteile 20 und 21 der Kammern 16 bzw. 18, in die die Rohre 17 einmünden und in denen sie befestigt sind, sind mit Dehnfalten 22 bzw. 23 versehen, die jeweils in Strömungsrichtung der Heißgase zwischen zwei benachbarten Rohrreihen 24 und 25 des Rohrbündels 12 verlaufen. Die Dehnfalten 22 und 23 nehmen Verformungen der sich unter der Einwirkung der heißen Abgase und der kalten Luft verschieden stark ausdehnenden Wandteile 20 bzw. 21 auf. Dadurch werden Schaden durch Spannungsspitzen in den thermisch stark beanspruchten Wandteilen 20 bzw. 21 im Bereich der Einmündungen der Rohre 17 vermieden.Wall parts 20 and 21 of the chambers 16 and 18, respectively, into which the tubes 17 open and in which they are attached, are provided with expansion folds 22 and 23, each in the flow direction of the hot gases between two adjacent rows of tubes 24 and 25 of the tube bundle 12 run. The expansion folds 22 and 23 take deformations under the action the hot exhaust gases and the cold air to different degrees expanding wall parts 20 and 21. This causes damage from voltage spikes avoided in the thermally highly stressed wall parts 20 and 21 in the area of the junctions of the tubes 17.

Der in den Fig. 3 und 4 gezeigte Zweifach-Kreuzst-rom-Wärmetauscher besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 26, in dem Rohrbündel 27 und 28 angeordnet sind, die Kammern 29 bzw. 30 mit einer Kammer 31 verbinden. Durch eine Einlrittsöffnung 32 strömen heiße Abgase ins Ge-The dual cross-flow heat exchanger shown in FIGS. 3 and 4 consists essentially of a housing 26 in which tube bundle 27 and 28 are arranged, the chambers 29 and 30 with a chamber 31 associate. Hot exhaust gases flow into the system through an inlet opening 32

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

- 5 - Daim 8499/4 - 5 - Daim 8499/4

hause 26, umspulen die Rohrbündel 27 und 28 und verlassen das Gehäuse 26 durch eine Austrittsöffnung 33. Kalte Luft strömt durch einen Einlaßstutzen 34 in die Kammer 29 und weiter durch das Rohrbündel 27, die Kammer 31 und das Rohrbündel 28 in die Kammer 30, die sie durch einen Auslaßstutzen 35 verläßt.home 26, wind around the tube bundles 27 and 28 and leave the housing 26 through an outlet opening 33. Cold air flows through an inlet port 34 into the chamber 29 and further through the tube bundle 27, the chamber 31 and the tube bundle 28 into the chamber 30, which they pass through an outlet port 35 leaves.

Die Abgase geben beim Durchströmen des Gehäuses 26 Wärme an die in den Rohrbündeln 27 und 28 strömende Luft ab und erwärmen diese. Dabei ergeben sich im Bereich der Einmündung der Rohre 36 der ersten Reihe des Rohrbündels 27, auf das die heißen Abgase zuerst auftreffen, in die Kammer 29, von der die kalte Luft ausgeht, die stärksten Temperaturunterschiede. When flowing through the housing 26, the exhaust gases give off heat to the air flowing in the tube bundles 27 and 28 and heat it. In the area of the confluence of the tubes 36 of the first row of the tube bundle 27, on which the hot exhaust gases hit first, in the chamber 29, from which the cold air emanates, the greatest temperature differences.

Zum Ausgleich der sich daraus ergebenden unterschiedlichen Wärmedehnungen sind in den thermisch stark beanspruchten Wandteilen 37 der Kammer 29, Dehnfalten 38 angeordnet, die sich leicht verformen können. Die Dehnfalten 38 sind wie die Fig. 5 und 6 erkennen lassen, so in entsprechende Ausschnitte 39 in der Kammerwand 40 eingeschweißt, daß sie in die Kammer 29 ragen. Der von der Dehnfalte 38 umschlossene Hohlraum 41 ist gegenüber dem Innenraum 42 des Gehäuses 26 durch ein Blech 43 abgedeckt, um zu vermeiden, daß ständig heiße Gase durch die Dehnfalte 38 strömen und das Temperatarfeld in unerwünschter Weise örtlich verändern. Dadurch, daß das Blech 43 nur mit seiner einen Seite 44 an der Kammerwand 40 angeschweißt ist, werden Formänderungen der Dehnfalte 38 nicht behindert. Gleiche oder ähnliche Dehnfalten können auch im entsprechenden Bereich der Kammer 31 allein oder zusätzlich zu den Dehnfalten 38 angebracht werden. Dies kommt besonders dann in Frage, wenn die Luft, nicht wie in den Fig. 3 und 4 durch Pfeile angegeben, sondern in dazu entgegengesetzter Richtung strömt.To compensate for the resulting different thermal expansions are arranged in the thermally highly stressed wall parts 37 of the chamber 29, expansion folds 38, which can easily deform. The expansion folds 38 are shown in FIGS. 5 and 6, so in corresponding Cutouts 39 are welded into the chamber wall 40 so that they protrude into the chamber 29. The one enclosed by the expansion fold 38 Cavity 41 is covered against the interior 42 of the housing 26 by a metal sheet 43 in order to prevent hot gases from constantly passing through the expansion folds 38 flow and locally change the Temperatarfeld in an undesirable manner. The fact that the plate 43 only with its one Page 44 is welded to the chamber wall 40, changes in shape of the expansion fold 38 are not hindered. Same or similar expansion folds can also be applied in the corresponding area of the chamber 31 alone or in addition to the expansion folds 38. This comes especially in question when the air, not as indicated by arrows in FIGS. 3 and 4, but flows in the opposite direction.

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-6--6-

- 6 - Dairo 8499/4 - 6 - Dairo 8499/4

Die Fig. 7 bis 9 zeigen eine Lochplatte 45 eines Wärmetauschers, in der Rohre 46 befestigt sind. Die Rohre 46 gehen von einer Kammer 47 aus und sind durch das Gehäuse 48 zu einer weiteren, nicht dargestellten Kammer geführt. An thermisch stark beanspruchten Stellen im Bereich der Einmündungen der Rohre 46 in die Kammer 47 durchsetzen in das Gehäuse 48 ragende Dehnfalten 49 die Lochplatte 45 und jeweils einige der Rohre 46. Die Lochplatte 45 und die betreffenden Rohre 46 sind dazu mit Schlitzen 50 bzw. 51 versehen, in denen die Dehnfalten 49 durch Schweißen befestigt sind. Die Pehnfalten 49 sind schmal gehalten, se daß die Strömung in den Rohren 46 nur unwesentlich beeinträchtigt wird.7 to 9 show a perforated plate 45 of a heat exchanger, in of the tubes 46 are attached. The tubes 46 go from a chamber 47 and are through the housing 48 to a further, not shown Chamber led. In areas with high thermal stress in the area of the confluences of the tubes 46 into the chamber 47, expansion folds 49 protruding into the housing 48 penetrate the perforated plate 45 and each some of the tubes 46. The perforated plate 45 and the relevant tubes 46 are provided with slots 50 and 51, respectively, in which the expansion folds 49 are attached by welding. The Pehnfalten 49 are kept narrow, se that the flow in the tubes 46 is only negligibly affected will.

Der in den Fig. 10 bis 12 dargestellte ringförmige Wärmetauscher besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Gehäuse 52, an dessen innerem Umfang ein Rohrbündel 53 ringförmig zwischen Lochplatten 54 und 55 angeordnet ist. Die wärmeabgebenden Heißgase gelangen durch eine zentrale Eintritts öffnung 56 in einer Stirnseite 57 des Gehäuses 52 in dessen Innenraum 58 und verlassen es nach dem radialen Durchströmen des Rohrbündels 53 durch eine Austrittsöffnung 59 im Mantel 60 des Gehäuses 52. Das zu erwärmende Gas strömt durch einen Einlaßstutzen 61 in eine Ringkammer 62, und von dort durch Rohre 63 des Rohrbündels 53 in eine weitere Ringkammer 64, die es durch einen Auslaßstutzen 65 verläßt. In gleicher Weise wie im vorangehenden Beispiel durchsetzen Dehnfalten 66 die Lochplatte 54 und einen Teil der Rohre 63 des Rohrbündels 53 im Bereich ihrer Einmündung in die Lochplatte 54. Die Dehnfalten 66 sind radial angeordnet und liegen damit, ähnlich wie die Dehnfalten der bereits beschriebenen Ausführungen, in der Strömungsrichtung der heißen Gase. Jede derThe annular heat exchanger shown in FIGS. 10 to 12 consists essentially of a cylindrical housing 52, on the inner circumference of which a tube bundle 53 is annular between perforated plates 54 and 55 is arranged. The heat-emitting hot gases pass through a central inlet opening 56 in an end face 57 of the housing 52 in its interior 58 and leave it after the radial flow through the tube bundle 53 through an outlet opening 59 in the Jacket 60 of the housing 52. The gas to be heated flows through an inlet connection 61 into an annular chamber 62, and from there through Tubes 63 of the tube bundle 53 into a further annular chamber 64, which it leaves through an outlet connection 65. In the same way as in the previous one For example, expansion folds 66 penetrate the perforated plate 54 and part of the tubes 63 of the tube bundle 53 in the area of their confluence into the perforated plate 54. The expansion folds 66 are arranged radially and are thus, similar to the expansion folds of those already described Versions, in the direction of flow of the hot gases. Each of the

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- 7 - Daim 8499/4 - 7 - Daim 8499/4

Dehnfalten 66 ist mit drei Rohren 63 verbunden. Zwischen zwei Dehnfalten 66 befindet sich jeweils eine radiale Reihe von Rohren 63, die keine Verbindung mit Dehnfalten haben. Je nach den thermischen Verhältnissen können unterschiedliche Anordnungen von radialen Dehnfalten benützt werden, die dabei jeweils auch mit weniger oder mehr als drei Rohren verbunden sein können. Es ist auch möglich, benachbarte Dehnfalten gegeneinander radial zu versetzen. Bei Bedarf können auch alle Rohre im Bereich einer Lochplatte durch radiale Dehnfalten verbunden sein.Expansion folds 66 are connected to three tubes 63. Between two expansion folds 66 there is in each case a radial row of tubes 63 which have no connection with expansion folds. Depending on the thermal conditions different arrangements of radial expansion folds can be used, each with fewer or more than three Pipes can be connected. It is also possible to have adjacent expansion folds to offset against each other radially. If necessary, all pipes can also be connected in the area of a perforated plate by radial expansion folds be.

Wie die vorangegangenen Beispiele gezeigt haben, können nach der Erfindung einzelne oder mehrere Dehnfalten verschiedener Gestalt und Abmessung jeweils an den thermisch stark beanspruchten Wandteilen der Kammern im Bereich der Einmündungen der Rohre angeordnet werden. Die Ausschnitte zum Einsetzen der Dehnfalten können beispielsweise durch ein elektroerosives Verfahren hergestellt werden. Die Dehnfalten können statt durch Schweißen auch durch Löten mit der Kammerwand und den Rohren verbunden werden.As the previous examples have shown, according to the invention single or multiple expansion folds of various shapes and dimensions on the thermally highly stressed wall parts of the Chambers are arranged in the area of the junctions of the pipes. The cutouts for inserting the expansion folds can, for example can be manufactured by an electrical discharge machining process. The expansion folds can also be soldered to the chamber wall instead of by welding and the pipes are connected.

20 9 8 B6/060 6 ...20 9 8 B6 / 060 6 ...

Claims

- 8 - Daim 8499/4 - 8 - Daim 8499/4

AnsprücheExpectations

Wärmetauscher, besonders für Fahrzeuggasturbinen, der aus zwischen Kammern angeordneten Rohren, in denen ein erstes Medium strömt, und aus einem die Rohre umschließenden Gehäuse, durch das ein zweites Medium strömt, zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß thermisch stark beanspruchte Wandteile der Kammern (16,18,29, 47,62) im Bereich der Einmündungen der Rohre (17, 36, 46, 63) mit Dehnfalten (22, 23, 38, 49,66) versehen sind.Heat exchanger, especially for vehicle gas turbines, made from between Chambers arranged tubes in which a first medium flows, and is composed of a housing which encloses the tubes and through which a second medium flows, characterized in that that thermally highly stressed wall parts of the chambers (16,18,29, 47,62) in the area of the junctions of the pipes (17, 36, 46, 63) are provided with expansion folds (22, 23, 38, 49, 66).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Dehnfalten (38) in Ausschnitte (39) in der Kammerwand (40) eingesetzt und mit dieser, z. B. durch Schweißen, verbunden sind.2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that individual Expansion folds (38) inserted into cutouts (39) in the chamber wall (40) and with this, for. B. are connected by welding.

3. Dehnfalte nach Anspruch 2, die in die Kammer ragt, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Dehnfalte (38) umschlossene Hohlraum (41) gegenüber dem Innenraum (42) des Gehäuses (26) durch ein einseitig an der Kammerwand (40).befestigtes Blech (43) abgedeckt ist.3. expansion fold according to claim 2, which protrudes into the chamber, characterized in that that the cavity (41) enclosed by the expansion fold (38) passes through to the interior (42) of the housing (26) a sheet metal (43) fastened on one side to the chamber wall (40) is.

4. Dehnfalte nach Anspruch 2, die in den von Rohren durchsetzten Innenraum des Gehäuses ragt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnfalte (49), deren Breite kleiner als der Innenradius eines Rohres ist, in entsprechende Schlitze (51) der Rohre (46) greift und mit diesen, z. B. durch Schweißen, verbunden ist.4. expansion fold according to claim 2, which is penetrated by tubes in the interior the housing protrudes, characterized in that the expansion fold (49), the width of which is smaller than the inner radius of a pipe, engages in corresponding slots (51) of the tubes (46) and with these, for. B. is connected by welding.

5. Ringförmiger Wärmetauscher mit Dehnfalten nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Delmfalten (OG) radial in einer Lochplatte (54) angeordnet sind.5. Annular heat exchanger with expansion folds according to claim 4, characterized in that the Delm folds (OG) radially in one Perforated plate (54) are arranged.

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