DE2630194A1 - Waermeaustauscher - Google Patents

Description

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Wärmeaustauscher

Zur Verwendung mit Verbrennungsmotoren werden zu der Verbesserung von deren Gesamtwirkungsgrad Wärmeaustauscher mit übereinandergestapelter Platte weiterentwickelt. Beispielsweise ist im US-Patent 3 291 206 ein solcher Wärmeaustauscher gezeigt, der gemäß US-Patent 3 759 323 weiter entwickelt wurde und besonders wirkungsvoll bei der Verminderung des Brennstoffverbrauchs eines Gasturbinenmotorsystems ist. Ein derartiger Wärmeaustauscher umfaßt eine alternierende Reihe von dünnen gleichmäßig gefalteten gewellten Blechen, die in einem Stapel angeordnet sind, um hin- und hergehende Strömungsmittelkanäle zu bilden, und zwar zur Übertragung von Wärme vom heißen Motorabgas nach dem Gegenstromprinzip auf relativ kalte Luft, die in dem Verbrennungsprozess verwendet wird. Obwohl es sich bei dem oben erwähnten Primäroberflächen-Wärmeaustauscher um einen beträchtlichen Fortschritt auf diesem Gebiet handelt, so besitzt er doch eine relativ große Anzahl von Wärmeübertragungsblechen, und die Bemessung seiner Kanäle für die hindurchströmenden Strömungsmittel ist nicht speziell für maximalen Wirkungsgrad ausgelegt, was einen höheren Druckabfall als gewünscht

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und ein größeres Volumen oder eine größere Packungsgröße als notwendig für eine gegebene Leistungsfähigkeit zur Folge hat.

Zum Stand der Technik sei ferner auf den Gas-zu-Luft-Wärmeaustauscher gemäß USAAVLABS Technical Report Nr. 65-37 hingewiesen; dieser Report wurde im Juli 1965 unter Vertrag mit den U.S. Army Aviation Material Laboratories veröffentlicht und trägt den Titel "Heat Regenerative System for T 53 Shaft Turbine Engines". Der in diesem Report gezeigte Wärmeaustauscher wird als besonders geeignet zur Verwendung mit einem Flugzeuggasturbinenmotor bezeichnet, und zwar wegen seiner gewellten gestapelten Plattenkonstruktion, die ein Verhältnis der Gas-zu-Luft-Querschnittsströmungsflache von 1,5 : 1 vorsieht. Unzweckmäßigerweise sieht dieser Wärmeaustauscher jedoch Bleche vor, die miteinander verlötet oder verschweißt sind, und zwar an den innen zusammenpassenden Kuppen, um eine starr ausgerichtete Anordnung zu bilden, und um das mögliche Abscheuern an diesen Stellen zu verhindern. Ein weiterer Nachteil dieser Bleche besteht darin, daß sie relativ flach gewellte oder wiederholt profilierte Muster quer zur Richtung des Strömungsmittelflusses aufweisen, die einander gegenüber angeordnet sind, um geradlinige Strömungsmittelkanäle zu definieren. Dies hat nachteiligerweise eine hohe Anzahl von Blechen zur Folge, macht deren Verbindung durch Hartlöten teuer und ergibt einen baulich relativ schwachen Wärmeaustauscher.

Wie zu erwarten, ist es außerordentlich schwierig, die Oberflächen der einzelnen Bleche für maximalen Wirkungsgrad und Wirtschaftlichkeit richtig zu proportionieren. Es sei beispielsweise auf den Stanford University Technical Report Nr. 23 von W. M. Case und A. L. London vom 15. November 1954 mit dem Titel "Compact Heat Exchangers - A Summary of Basic Heat Transfer and Flow Friction Design Data" verwiesen, der einen üblichen Wärmeaustauscher der Platten-Flossen-Bauart darstellt, und nicht die oben erwähnten Primäroberflächen-

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Wärmeaustauscher/ wobei eine beträchtliche Anzahl von alternierenden Oberflächenformen für die einzelnen Bleche vorgesehen ist. Die gleichgefalteten gewellten Bleche dieses Berichts sind alternierend mit flachen Platten abwechselnd angeordnet, um relativ langgestreckte Strömungsmittelkanäle vorzusehen, und zwar mit einer Leistungsfähigkeit etwa analog zu der bei langen Rohren. Es reicht natürlich aus, einfach die Platten in dieser Literaturstelle zu entfernen, um den Platten-Flossen-Wärmeaustauscher in einen solchen der Primärober flächenbauart umzuwandeln, und zwar wegen des komplizierten Aufbaus des letzteren. Es ist beispielsweise schwierig, die Strömung von zwei Strömungsmitteln zu einem Primäroberflächenwärmeaustauscher hin und von diesem weg durchzuführen, wenn man versucht, die Anforderungen hinsichtlich Druckabfall und Volumen zu lösen, wobei eine weitere wichtige Betrachtung das Stapeln der Platten derart betrifft, daß diese nicht mit einander in Eingriff kommen und in vorbestimmten Stellungen verbleiben.

Es war außerordentlich, Hochleistungs-Wärmeaustauscherblechoberflächen herzustellen, und soweit bekannt, war es erst seit der Entwicklung gemäß US-Patent 3 892 119 möglich, relativ dünnes Metallblech in einem Bereich von 2 bis 8 Tausendstel Zoll Stärke in wirkungsvoller Weise in gewelltes Blech umzuwandeln, und zwar mit einer großen Anzahl von sich wiederholenden Wellungen pro Zoll quer zur Strömungsrichtung, einer stark vergrößerten Höhe und einem sinusförmigen Profil in Richtung des Strömungsmittelflusses. Diese Verbesserung gestattet eine relativ große Wärmeübertragungsoberfläche pro Einheitsvolumen und ermöglicht die Verminderung der Gesamtzahl erforderlicher Profilbleche, was weitere Einsparungen durch Minimierungen des Hartlötens und des Abdichtens der Endkanten zur Folge hat.

Zur Überwindung der oben genannten Probleme hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, einen Primäroberflächen-Wärmeaus-

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tauscher vorzusehen, der eine Vielzahl von dünnen gewellten Blechen/ angeordnet in einem Stapel aufweist, und zwar in einer vorbestimmten .gegenüberliegenden Anordnung, und wobei die Bleche ein wirkungsvolleres Profil aufweisen, welches gestattet, daß die Gesamtzahl der Bleche beträchtlich verringert und somit die Wirtschaftlichkeit erhöht wird.

Die Erfindung hat sich ferner zum Ziel gesetzt, einen Wärmeaustauscher vorzusehen, bei dem die einzelnen Bleche in der Weise gestapelt sind, daß alternierende Strömungsmittelflußkanäle zwischen diesen definiert werden, und wobei deren Strömungsflächen ein vorbestimmtes geplantes Verhältnis aufweisen, um das Gesamtvolumen des Wärmeaustauschers für eine gegebene Leistungsflähigkeit zu minimieren, und zwar mit einem annehmbar niedrigen oder verminderten Druckabfall. Die Erfindung sieht ferner einen Wärmeaustauscher der genannten Art derart vor, daß die einzelnen Bleche in einer Richtung quer zum Strömungsmittelfluß in der Weise gewellt werden, daß die Mehrzahl der Wärmeübertragungsoberflächen senkrecht zu ihren Mittelebenen verläuft, um den Wirkungsgrad zu erhöhen, und die Kosten des Wärmeaustauschers zu vermindern. Die Erfindung sieht ferner einen Wärmeaustauscher mit den erwähnten Eigenschaften vor, wobei die einzelnen Bleche sinusförmig profiliert sind, und zwar in der Richtung des Strömungsmittelflusses, um die Wärmeübertragungseigenschaften desselben zu verbessern, und um ferner die Blechstarrheit für Druckbelastung zu erhöhen, und um das Ineinandergreifen benachbarter Bleche zu verhindern.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Primäroberflächenwärmeaustauschers;

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Fig. 2 eine vergrößerte teilweise perspektivische Schnittansicht des Mittelkerns des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, wobei die Schnittlinie längs Linie II-II in Fig. 1 verläuft, und wobei die Kamm-zu-Kamm-Stapelanordnung der einzelnen Bleche dargestellt istf

Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht auf den Mittelkern des Wärmeaustauschers gemäß Fig. 1, wobei die Longxtudinalwellenform dargestellt ist, und zwar ist ein Teil des oberen Blechs weggebrochen, um die genau fehlausgerichtete Beziehung der Wellenform des zweiten Blechs damit darzustellen;

Fig. 4 einen vergrößerten Teilquerschnitt von zwei übereinander angeordneten Wärmeaustauscherblechen längs der Linie IV-IV in Fig. 2, wobei die seitliche Verschiebung der Serpentinenkanäle dargestellt ist;

Fig. 5 einen vergrößerten Vertikalschnitt eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers, der gewelltes Blech verwendet, und wobei die Parameter der sich wiederholenden Querwindungen dargestellt sind;

Fig. 6 einen vergrößerten Vertikalschnitt eines ersten alternativen Ausführungsbeispiels eines gewellten Blechs in einem Maßstab etwas größer als in Fig. 5, wobei die Parameter der sich wiederholenden Querwindungen dargestellt sind;

Fig. 7 eine vergrößerte Teildraufsicht auf ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel eines Wellblechs, wobei eine bogenförmige Longxtudinalwellenform dar-

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gestellt ist, die mit der Sinuswellenform von Fig. 3 verglichen werden kann;

Fig. 8 eine vergrößerte Teilschnittansicht mehrerer benachbarter gewellter Bleche eines bekannten Primärober flächenwarmeaustauschers, wobei die Querwindungen desselben ein verhältnismäßig flaches Profil besitzen und im wesentlichen gleiche Strömungszonen zwischen den Blechen definieren.

Es sei nunmehr ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt einen kompakten Primäroberflächenwärmeaustauseher 10 mit drei Hauptbereichen einschließlich einer mittig angeordneten rechteckigen Gegenstromfläche oder einem Kern 12, auf den sich die Erfindung insbesondere bezieht, wobei ein Paar von äußeren dreieckig geformten Querströmungszonen 14 und 16 die entgegengesetzt liegenden Enden des Kerns flankiert. Im. dargestellten Ausführungsbeispiel dient die äußere Zone 14 als eine Sammelleitung, um heißes Gas zum Kern zu leiten, wie beispielsweise durch eine Vielzahl von höhenmäßig mit Abstand angeordneten Gaseintrittskanälen 18, die sich nach außen auf einem langgestreckten Ende 20 der Zone 14 öffnen, und wobei die Zone ferner erhitzte Luft vom Kern abgibt, und zwar über eine entsprechende Vielzahl von mit Höhenabstand angeordneten und versetzten üuftaustrittsöffnungen 22, die sich nach außen auf einem verkürzten Ende 24 der Zone 14 öffnen. Die entgegengesetzt liegende Außenzone 16 besitzt eine entsprechende Anzahl von Lufteintrittskanälen 26 längs eines verkürzten Endes 28 sowie eine Vielzahl von höhenmäßig mit Abstand angeordneten Gasaustrittskanälen, die nicht gezeigt sind, welche aber längs eines langgestreckten Endes 30 angeordnet sind und die jeweils in Verbindung _m±_t ^e_1n Kern des Wärmeaustauschers stehen. Auf diese Weise wird Gas und Luft in vorteilhafter Weise in entgegengesetzten Richtungen durch den Kern im

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Gegenstromprinzip zum Zwecke der Wärmeaustauschung geführt. Allgemein ist eine solche Konstruktion den US-Patenten 3 291 206 und 3 759 323 zu entnehmen.

Wie man am besten in Fig. 2 erkennt/ weist der kompakte Primäroberflächenwärmeaustauscher 10 eine Vielzahl von in Querrichtung gewellten Blechen 32 auf, die abwechselnd in einer genauen übereinanderliegenden Beziehung ineinandergreifen, um einen vertikal ausgerichteten Stapel auszubilden. Wie repräsentativ an dem oberen Blech in Fig. 1 dargestellt, besitzt jedes Blech eine mittige Rechteckfläche 33/ wobei diese Bleche zusammen den Hauptteil des Wärmeaustauscherkerns 12 bilden, und wobei ferner jedes Blech entgegengesetzt angeordnete dreieckförmige Flächen 34 und 35 aufweist, die den Hauptteil der äußeren Zonen 14 oder 16 des Wärmeaustauschers bilden. Die Bleche sind aber im Stapel nicht in der gleichen Weise orientiert, sondern sind vorteilhafterweise in Scheitel-an-Scheitel gegenüberliegenden Paaren derart angeordnet, daß die Wellungen ihrer Mittelflächen alternativ in Längsrichtung versetzt oder fehlausgerichtet sind, und zwar in einer vorbestimmten Weise, um die Wärmeübertragung zu optimieren, und um das im folgenden zu beschreibende Ineinandergreifen zu verhindern.

Insbesondere sind die gewellten Bleche 32 gemäß der vorliegenden Erfindung vorzugsweise aus relativ dünnem rostfreien Stahl hergestellt und sind mit entgegengesetzt liegenden flachen Seitenrändern oder Kanten 36 ausgestattet, wie man deutlich in Fig. 2 erkennt. Diese Seitenkanten sind in geeigneter Weise miteinander an ihren äußeren Seitenenden abdichtend verbunden, beispielsweise durch Hartverlöten oder Verschweißen mit einer Vielzahl von Kantenstangen 38 derart, daß im ganzen ein Pfad für das relativ heiße Gas (G) zwischen bestimmten Paaren benachbarter Bleche vorgesehen ist, wobei abwechselnd ein Pfad·für die relativ kalte Luft (A) vorge-

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sehen ist/ die zwischen diesen Paaren erhitzt werden soll.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, sieht die Erfindung vor, daß jedes der Bleche 32 mit-einer Vielzahl von sich vertikal erstreckenden sich wiederholenden Querwellungen oder -windungen 40 ausgestattet ist, die unter einem im wesentlichen rechten Winkel gegenüber der allgemeinen Richtung des Strömungsmittelflusses zwischen den Seitenkanten 36 angeordnet sind, und die sich in Längsrichtung zwischen einem Paar von Grenzen 41 erstrecken, welche zwischen der Mittelfläche 33 und den äußeren Dreieckflächen 34 und 35, wie in Fig. 1 gezeigt, angeordnet sind. Jede dieser Querwindungen erstreckt sich nach oben und hängt nach unten um eine ähnliche und relativ große Distanz (D) von der Mittelebene 42 aus herab und schafft auf diese Weise eine stark vertikal erhöhte gleichförmige Blechhöhe verglichen mit der relativ dünnen Blechstärke von zwei bis acht Tausendstel Zoll. Beim speziellen dargestellten Blech ist die Gesamtblechhöhe (2 D) annähernd 3_f9 mm (0,155 Zoll) und die Blechdicke (T) ist annähernd 0,076 mm (0,003 Zoll). Ferner hat jede Querwellung ein sich im ganzen vertikal erstreckendes sinusförmiges Wellenprofil mit einer Zyklusbreite (C) von annähernd 1,27- mm (0,050 Zoll). Man erkennt somit, daß die Wellungshöhe erfindungsgemäß in signifikanter Weise größer ist als die Zyklusbreite. Vorzugsweise ist die gleichförmige WeI-lungshöhe annähernd das zweifache oder größer als die Zyklusbreite, und im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieses Verhältnis annähernd 3:1.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist jedes der gewellten Bleche 32 ebenfalls sinusförmig profiliert, und zwar in der allgemeinen Richtung des Strömungsmittelflusses, wie man am besten in den Fig. 2 und 3 erkennt, um so die Steifheit eines einzelnen Blechs zu erhöhen, und um weitere Vorteile

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zu erreichen/ die im folgenden beschrieben werden. Beispielsweise weist jede der Querwellungen 40 im oberen Blech eine sich wiederholende Longitudinalwellung oder Sinuswelle 43 auf/ und zwar mit einer Wellensteigung (P), wie in Fig. 3 angezeigt, von annähernd 9/65 mm (0/38 Zoll) und einer Wellenamplitude (A) von annähernd 1,57 mm (0,062 Zoll). Andererseits ist erfindungsgemäß das zweite Blech im wesentlichen identisch dazu ausgebildet/ aber die sich wiederholende Longitudinalwellenform ist zweckmäßigerweise symmetrisch außer Phase mit dem oberen Blech ausgebildet, um eine verbesserte Wärmeaustauschleistungsfähigkeit und ein verbessertes Zickzack-Stapeln zu erreichen. Wie insbesondere in Fig. 3 deutlich gezeigt ist, sind die jeweils zugehörigen Scheitel der Wellung jedes der benachbarten Bleche in quer entgegengesetzten Richtungen ausgestreckt. Diese vorbestimmte Versetzung in Längsrichtung oder symmetrische Phasenfehlausrichtung gilt auch für die verbleibenden Bleche im Wärmeaustauscherkern 12 in alternierender Weise.

Bei dem speziellen dargestellten Wärmeaustauscher 10 sind die Bleche 32 mit Longitudinalwellen 43 ausgestattet, die erfindungsgemäß derart bezüglich der Grenzen 41 orientiert sind, daß es nur erforderlich ist, die Bleche abwechselnd umzudrehen, um die erforderliche genaue Fehlausrichtung zu erhalten. Es ist erforderlich, zwei unterschiedliche Grundbleche vorzusehen, um die Schrägorientierung zwischen diesen für andere Primäroberflächenwärmeaustauscher zu erreichen, wie beispielsweise einen Wärmeaustauscher, bei dem eines der langgestreckten Enden 20 oder 30 in Fig. 1 diagonal entgegengesetzt zum anderen langgestreckten Ende angeordnet ist oder eine der Querströmungszonen 14 oder 16 umgekehrt aufweist.

Wie oben erwähnt, ist der Hauptteil jeder Querwindung 40 derart angeordnet, daß eine Vielzahl von sich im wesentlichen vertikal·erstreckenden und im wesentlichen parallel verlaufen-

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den, aber in Längsrichtung gewellten Wänden entsteht, wie dies im ganzen durch die Bezugszeichen 44, 45 und 46 in Fig. 5 angedeutet ist. Diese Wände sind einstückig durch eine entsprechende Vielzahl von oberen und unteren halbzylindrischen Wänden oder Scheitelgliedern verbunden, wobei letztere durch die Bezugszeichen 47 bzw. 48 bezeichnet sind. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die sich vertikal erstreckenden Wände vorteilhafterweise ungleichmäßig seitlich mit Abstand angeordnet und glatt mit den Scheitelgliedern zusammengeführt, um ein in Querrichtung unsymmetrisches Sinuswellenmuster zu erzeugen. Beispielsweise ist der Abstand (E) zwischen den Wänden 45 und 46 annähernd 0,83 mm (0,0032 Zoll) und der Abstand (F) zwischen den Wänden 44 und 45 ist im Gegensatz dazu nur annähernd 0,30 mm (0,012 Zoll). Weil die Bleche 32 in einander gegenüberliegenden Paaren übereinandergestapelt sind in einer genau übereinanderliegenden Scheitel-zu-Scheitel-Beziehung sowie geneigten Brücken-Beziehung, wie man deutlich in den Fig. 2 und 4 erkennt, wird eine Vielzahl von etwas größeren und im ganzen serpentinenartigen Strömungsmittelflußkanälen 50 innen zwischen diesen Blechen für das heiße Gas (G) vorgesehen, und ferner eine Vielzahl von etwas kleineren serpentinenartigen Strömungsmittelflußkanälen 52, die abwechselnd außerhalb zwischen den genannten für die zu erhitzende Luft (A) vorgesehen sind. Der erfindungsgemäße serpentinenartige Charakter der Strömungsmittelflußpfade ist am besten durch Betrachtung des Querschnitts gemäß Fig. 2 zu erkennen, wo die Wellungen 40 benachbarter Bleche vertikal ausgerichtet sind, um ein Spiegelbild voneinander zu bilden, wohingegen bei der leicht in Längsrichtung versetzten Querschnittsansicht der Fig. 4 die gleichen Wellungen bezüglich einander seitlich versetzt sind. Dies schafft serpentinenartige Kanäle, die in einer höhenmäßig überlappenden Beziehung verdreht über den Wärmeaustauscherkern 12 verlaufen. Infolge der nicht gleichmäßigen

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seitlichen Abstandsanordnung der repräsentativen Wände 44, 45 und 46 ist die GesamtquerSchnittsfläche zwischen einem Paar von Blechen beträchtlich höher für Gas als dies für Luft bei dem benachbarten Paar von Blechen der Fall ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat das unsymmetrische Querwindungsmuster ein Gas-zu-Luft-Strömungsflächenverhältnis von 1,8 : 1 zur Folge. Dieses vorbestimmte Verhältnis minimiert direkt die Gesamtdruckverluste am Wärmeaustauscherkern und ist bevorzugt innerhalb eines Bereichs von 1,5 : 1 bis 3,0 : 1 in Verbindung mit der Wärmeübertragung von einem relativ heißen Auspuffgas von einem Gasturbinenmotor, der nicht dargestellt ist, sowie zusammen mit relativ kühler Einlaßluft. Dieses Verhältnis ist deswegen zweckmäßig, weil das spezifische Volumen des Auspuffgases größer ist als das für Luft, und sein Druckabfall ist infolgedessen größer, wobei die Abmessungen der Flächen zwischen den Blechen derart bemessen sein können, daß speziell ein Druckabfall oder eine Strömungsmittelgeschwindigkeit auf dem gewünschten Niveau vorgesehen werden.

Es sei bemerkt, daß die erhitzte Luft darauffolgend in dem Gasturbinenmotor mit einem stark verbesserten Wirkungsgrad sowie vermindertem Brennstoffverbrauch benutzt wird. Das erwähnte Verhältnis gestattet ferner die Minimierung des Gesamtvolumens des Wärmeaustauschers, so daß sich Einsparungen hinsichtlich Raum, Gewicht und Kosten ergeben.

Es sei nunmehr ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel beschrieben. Das gewellte Blech 54 - vgl. Fig. 6 - des ersten alternativen Ausführungsbeispiels ist etwas leichter herzustellen, weil es eine flachere Gesamthöhe besitzt und beispielsweise Blechmaterial gemäß US-Patent 3 892 119 verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke (T) ebenfalls 0,076 mm und die gesamte Blechhöhe (2D) ist 2,36 mm (0,093 Zoll) und die Zyklusbreite (C) ist 1,37 mm, während das Gas-

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zu-Luft-Verhältnis annähernd 1,78 : 1 ist. Eine derartige Blechkonstruktion umfaßt eine vertikal ausgedehnte unsymmetrische Windungshöhe, die kleiner ist als die beim bevorzugten Ausführungsbeispiel, so daß mehr Bleche für die gleiche Wärmeaustauschergesamthöhe erforderlich sind. Diese Konfiguration ist jedoch für allgemeine Verwendungszwecke zufriedenstellend. Obwohl die sich vertikal erstreckenden Wände dieser Bleche leicht geneigt bezüglich der Mittelebene verlaufen, werden sie dennoch als im wesentlichen parallel erachtet, obwohl sie auch in Längsrichtung gewellt sind. Fig. 7 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel eines gewellten Blechs, welches eine unsymmetrische Windung oder Wellung 40 quer zur Richtung des Strömungsmittelflusses aufweist, ähnlich wie beim bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei aber hier eine bogenförmige sich wiederholende Wellenform 57 in der allgemeinen Richtung des Strömungsmittelflusses vorgesehen ist. Speziell hat das sich in Längsrichtung erstreckende Wellenmuster der Bogenart nahezu überall den gleichen Krümmungsradius, wie dies durch den relativ großen Radius R1 dargestellt ist. Natürlich ist auch ein kleiner Radius R~ für Übergangszwecke zwischen jeder sich wiederholenden Welle mit großem Radius erforderlich. Es ist anzunehmen, daß diese Konstruktion die einzelnen Bleche versteift, und zwar dadurch, daß im wesentlichen die ■Flachen Zonen eliminiert werden, welche die im wesentlichen gleichen Krümmungsradien der bevorzugten Sinuswellenform der Fig. 3 verbinden, und wie dies durch das Bezugszeichen 58 für die flache Zone in der Zeichnung dargestellt ist. Es wird angenommen, daß jede dieser flachen Zonen 58 auf Druckbelastungen durch Biegen oder Krümmen reagieren muß, und diese zusätzliche Biegung könnte schließlich in schädlicher Weise die Strömung in einem gewissen Umfang in speziellen Fällen in den serpentinenförmigen Kanälen einschränken, die zwischen den einzelnen Blechen ausgebildet'sind. Andererseits könnte die bogenförmige Konstruktion dieses Ausführungsbeispiels diese Blechdeformation reduzieren und dadurch den Wärmeaustauscherdruckverlust minimieren.

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Aus der vorangegangenen Beschreibung erkennt man, daß das hohe Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis des Primäroberflächenwärmeaustauschers IO der vorliegenden Erfindung einen außerordentlich wirkungsvollen Wärmeaustauscher schafft, und zwar durch. Verwendung einer Vielzahl von dünnen gewellten Blechen 32, die in einem Stapel angeordnet sind, und wobei jedes der Bleche eine Vielzahl von im wesentlichen sich vertikal erstreckenden unsymmetrischen Windungen 40 aufweist, und zwar quer zur allgemeinen Richtung des Stromungsmittelflusses. Ein derartiges effektives Profil, welches besonders wertvoll für einen Wärmeaustauscher

2 mit einer Gesamtoberfläche im Bereich von annähernd 93 m (100 Quadratfuß) pro 0,028 m³ (1 Kubikfuß) Volumen ist, gestattet, daß die Gesamtzahl der Bleche bedeutend reduziert wird für eine gegebene Wärmeaustauscherleistungsfähigkeit. Beispielsweise erfordert das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Fig. 4 nur 6 1/2 Bleche pro Zoll Stapel.

Dies steht im deutlichen Gegensatz zu einer Blechanordnung gemäß dem Stand der Technik, wo die gleichmäßig gefaltete Querwellung gemäß Fig. 8 verwendet wird, wobei die einzelnen Bleche verhältnismäßig flach und unter Druckbelastung bauschwach sind, und wobei ferner eine relativ große Anzahl von Blechen erforderlich wäre, um einen Wärmeaustauscher mit einer gegebenen Kapazität vorzusehen. Beispielsweise waren bislang 20 oder mehr Bleche pro Zoll Stapel erforderlich.

Darüber hinaus ist jedes der Bleche 32 der vorliegenden Erfindung gewellt mit sich wiederholenden Wellen 43 in der Richtung des Strömungsmittelflußes, wobei benachbarte Bleche versetzte Wellen oder Wellen außer Phase miteinander aufweisen. Diese den Eingriff verhindernde Blechkombination schafft eine Vielzahl von serpentinenartigen Strömungsmittelflußkanälen 50 für das heiße Gas und auch eine alternierende Vielzahl von verdrehten Strömungsmittelkanälen 52 für die aufzuheizende Luft, wobei die in Querrichtung unsymmetrischen

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Windungen 40 gestatten, daß die entsprechenden Strömungsflächen für niedrigen Druckabfall und maximale Gesamtleistung proportioniert werden. Ferner erhöht das gewellte Muster der Bleche die Baufestigkeit und Integrität des Wärmeaustauschers, insbesondere in der Vertikalrichtung/ und steuert die Turbulenz des dazwischen hindurchlaufenden Strömungsmittels, um die Grenzschicht benachbart zu den Blechen aufzubrechen, und um einen relativ hohen Wärmeübertragungskoeffizienten vorzusehen, ohne daß der Druckabfall übermäßig erhöht wird. Diese verbesserte Baufestigkeit eliminiert auch die Notwendigkeit des Hartlötens oder Schweißens der Bleche an deren Mittelflächen.

- Patentansprüche -

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Claims (7)

1. Patentansprüche

   \J Kompakter Primäroberflächenwärmeaustauscher, g e κ e η η ζ e i c h η e t durch eine Vielzahl von in Querrichtung gewellten Blechen (32), die in gestapelten gegenüberliegenden Paaren übereinander Scheitel an Scheitel in geneigter Überbrückungsanordnung angeordnet sind, um erste und zweite gewundene serpentinenartige Strömungsmittelkanäle (50) mit einem vorbestimmten Strömungsflächenverhältnis alternierend dazwischen zu bilden, und wobei jedes der Bleche (32) eine Vielzahl von Querwindungen (40) aufweist, die derart konstruiert sind, daß sie eine Vielzahl von im wesentlichen sich vertikal erstreckenden und im wesentlichen parallelen Wänden bilden, und zwar mit einer Vielzahl von Scheitelgliedern, welche einstückig die Verbindungen herstellen, und wobei die Wände und die Scheitelglieder in einem unsymmetrischen sich wiederholenden Sinusmuster von gleichförmiger Höhe angeordnet sind, um einen effektiven Wärmeaustauscher vorzusehen, der eine verminderte Anzahl von Blechen und ein vermindertes Ge s amtvolumen au fweist.
2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querwindungen (40) der gewellten Bleche (32) ebenfalls sinusförmig in Longitudinalrichtung derart profiliert sind, daß benachbarte Bleche (32) symmetrisch außer Phase miteinander angeordnet sind, um eine verbesserte Wärmeaustauscherleistungsfähigkeit zu erreichen, und um die Steifheit eines einzelnen Blechs zu erhöhen, und um schließlich das Ineinandergreifen benachbarter Bleche zu verhindern.
3. 3. Kompakter Primäroberflächenwärmeaustauscher, insbesondere nach Ansprüchen 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von in Querrichtung gewellten Blechen (32), die in über-

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   einandergestapelten einander gegenüberliegenden Paaren angeordnet sind, und zwar Scheitel an Scheitel, sich geneigt überbrückend, um erste und zweite serpentinenartige Strömungsmittelflußwege zu bilden, mit einem vorbestimmten Strömungsflächenverhältnis abwechselnd dazwischen, und wobei die Bleche eine Vielzahl von in Querrichtung unsymmetrischen Sinuswellenwindungen aufweisen, die derart angeordnet sind, daß eine Vielzahl von Wänden vorgesehen wird, die im wesentlichen senkrecht zu einer Mit£elebene verlaufen, und zwar einstückig verbunden durch Scheitelglieder, und wobei jede der Querwindungen sich in Längsrichtung in einer Vielzahl von sich wiederholenden bogenförmigen Wellen von nahezu konstantem Krümmungsradius erstreckt, um einen effektiven Wärmeaustauscher vorzusehen, und zwar mit einem minimierten Volumen und einer verminderten Anzahl von Blechen.
4. 4. Kompakter Primäroberf-lächenwärmeaustauscher, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von relativ dünnen in Querrichtung gewellten Blechen, die individuell ein Paar von entgegengesetzten Seitenkanten aufweisen, die in übereinandergestapelten gegenüberliegenden Paaren angeordnet sind, und zwar Scheitel an Scheitel übereinanderliegend und sich schräg überbrückend, wobei die Seitenkanten abgedichtet sind, um erste Strömungsmittelflußkanäle (50) und zweite Strömungsmittelflußkanäle (52) abwechselnd dazwischen auszubilden, und zwar mit einem vorbestimmten Querschnittsflußflächenverhältnis, und wobei jedes der Bleche eine Vielzahl von sich vertikal erstreckenden Querwindungen von unsymmetrischer Sinuswellenform und von gleichförmiger Gesamthöhe aufweist, vorzugsweise dem zweifachen oder noch größer als die Zyklusbreite, und wobei der Aufbau derart getroffen ist, daß der Hauptteil jeder Windung im wesentlichen senkrecht zu einer Mittelebene des Blechs verläuft, und wobei jede der Querwindungen sich in Längsrich-

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   tung in einer Vielzahl von sich wiederholenden Wellen für sich überkreuzendes Stapeln angeordnet ist, um die Anzahl der erforderlichen Bleche für ein gegebenes Wärmeaustauscherverhalten zu vermindern und gleichzeitig das Volumen des Wärmeaustauschers zu minimieren.
5. 5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querwindungen der gewellten Bleche ein bogenartiges sich wiederholendes Longitudinalwellenmuster

   (57) aufweisen, welches nahezu vollständig gleichen Krümmungsradius besitzt.
6. 6. Wärmeaustauscher insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine gewellte Fläche mit gleichförmiger Gesamthöhe mit einer Vielzahl von sich wiederholenden in Querrichtung unsymmetrischen Sinuswellenwindungen, die sich vertikal bezüglich einer Mittelebene des Blechs erstrecken, so daß der Hauptteil jeder der Windungen Wände von ungleichem seitlichen Abstand bildet, die im wesentlichen senkrecht zu der Mittelebene verlaufen, und die eine Vielzahl von S.cheitelgliedern aufweisen, welche einstückig die Wände verbinden, und wobei jede der Windungen sich ebenfalls in Längsrichtung in einer Vielzahl von sich wiederholenden Longitudinalwellenwindungen erstreckt.
7. 7. Wärmeaustauscherblech nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Longitudinalwellenwindungen in einem bogenförmigen Wellenmuster (57) ausgebildet sind, um das Blech zu versteifen.

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   λ!

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