DE3543893A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei derartigen aus der GB-OS 21 30 355 bekannten Bau­ weisen von Wärmetauschern werden die dem Wärmetausch dienenden Matrixprofilrohre von einen zentralen Zu­ führungs- oder Verteilerrohr aus zunächst orthogonal zu letzterem und geradlinig in den dem Wärmeaustausch dienenden, heißgasbeaufschlagten Raum geführt, folgen sodann einer Bogenform, um schließlich in der Gegen­ richtung wiederum othogonal auf ein zentrales Sammelrohr geführt zu werden. Diese Bauweise hat sich insbesondere bei hohen Betriebstemperaturen bewährt, da sich die einzelnen Rohrbügel bei Erwärmung individuell und weitgehend spannungsfrei dehnen können.

Es sind mit dieser Bauweise allerdings nicht unwesentliche Nachteile verbunden:

• - Die Rohrbügel sind unterschiedlich lang und setzen daher dem in ihnen strömenden Medium (Druckluft) unterschiedliche Strömungswiderstände entgegen. Als Folge davon ist die Massenstromverteilung unter­ schiedlich.
• - Im Bogen- oder Umlenkbereich des Rohrbündels der Matrix trifft auch die Außenströmung (Heißgas) auf ihrem Wege durch das Rohrbündel auf lokal sehr unterschied­ liche geometrische Verhältnisse. Die Optimierung der Heißgasdurchströmung ist schwierig und nur mit erheb­ lichem Aufwand zu bewerkstelligen; mit anderen Worten ist der Wärmeaustauschgrad im Bogen- oder Umlenkbereich der Matrix nicht optimal.
• - Die Bügel neigen im Bogenbereich zu Schwingungen und können zu deren Vermeidung nur mit komplizierten Mitteln gegeneinander abgestützt werden.
• - Im regulären, geradlinigen Teil der Wärmetauschermatrix ist jedes Profilrohr einem bestimmten Ort im Strömungs­ feld zugeordnet. Gegen Abweichungen von diesen vorge­ schriebenen Stellungen ist das System bezüglich seiner aero-thermodynamischen Wirksamkeit sehr empfindlich.

Thermische Verformungen sowie Knickwirkungen durch Druckspannungen längs der Achse der Profilrohre - z.B. durch Reibungsreaktionskräfte in den Systemen der Abstandshalterung - veranlassen die Profilrohre, im Betrieb des Wärmetauschers von ihrer konstruktiv vorgegebenen geradlinigen Erstreckung abzuweichen.

• - Die frei aus den Zentralrohren herausragenden Rohr­ bügel sind Stoßbelastungen frei ausgesetzt ohne Ab­ stützung der Massenkräfte über äußere Glieder.
• - Da die Rohrbügel einer Schicht als Folge einer krümmungskonzentrischen Rohrstaffelung unterschiedlich lang sind, ist ihre Auslenkung unter der Wirkung von Stoßbelastungen unterschiedlich groß, und zwar sind die äußeren Rohrbügel länger, und damit weicher als die inneren Rohrbügel, die entsprechend steifer sind. Als Folge davon werden bei Einwirkung von Beschleunigungen die äußeren Bügel stärker ausgelenkt, als die inneren. Da die Zuordnung der einzelnen, z.B. lanzettenförmigen Profilrohre im Feld gegenseitig durch Abstandshalter erfolgt, wird die freie Auslenkung der weicheren Rohr­ bügel durch ihre Abstützung an den Abstandshaltern der steiferen Rohrbügel behindert. Das heißt, daß die steiferen Rohrbügel einen großen Anteil der Massen­ kräfte ihrer weicheren Rohrnachharn mittragen müssen. Insbesondere die innen liegenden, steifen Rohrbügel haben dadurch die Summe der Lasten aus der Behinderung der Auslenkung aller weiter außen liegenden Rohrbügel zu tragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zu Bekanntem vorgetragenen Nachteile zu beseitigen und einen Wärmetauscher der genannten Gattung anzugeben, der insbesondere im Hinblick auf den kritischen Bogen­ oder Umlenkbereich der Matrix einen vergleichsweise hohen Wärmeaustauschgrad und dabei zugleich eine funktionsgerechte, betriebssichere Halterung und Ab­ stützung der in Richtung auf den Bogen- bzw. Umlenk­ bereich der Matrix auskragenden Profilrohrenden er­ möglicht.

Die gestellte Aufgabe ist mit dem Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Mithin ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Matrix­ bogenbereich eines Profilrohrwärmetauschers durch plattenförmige Kammern zu ersetzen, in denen das aus den orthogonal nach außen gerichteten Profilrohren einer Rohrschicht oder -reihe austretende Fluid (Druckluft) gesammelt wird und unter Vermischung und Wärmeaustausch der orthogonal nach innen gerichteten Profilrohrschicht oder -Reihe zugeführt wird.

Gegenüber Bekanntem ergeben sich dabei u.a. folgende Vorteile:

• 1. Die Profilrohre des Wärmetauschers sind nicht nur auf der Seite ihres Ursprungs im Verteilerrohr oder ihrer Einmündung in die betreffende Sammel­ leitung, sondern auch im äußeren Bereich ihrer Erstreckung in einem festen strukturellen Verband exakt zueinander positioniert. Die Zuordnung jedes einzelnen Profilrohres an die ihm zugewiesene Stelle im Strömungsfeld kann damit auch bei Ein­ wirkung thermisch verursachter Zwänge und Ver­ formungen exakt beibehalten werden.
• 2. Ein Kollektiv von schichtweise nebeneinanderliegen­ den plattenförmigen Kammern kann in einer angrenzen­ den Haltevorrichtung abgestützt werden, so daß die Profilrohre bei Einwirkung von Beschleunigungs­ kräften durch Stöße und Erschütterungen weitgehend lastfrei bleiben. Dies insbesondere mit Hilfe einer in Ausgestaltung der Erfindung vorgesehenen reaktionsweichen Anpassung der Profilrohre an Verschiebungen ihrer Einspannstellen als Folge eines periodisch kurvenförmigen Verlaufes ihrer Längsachse.
• 3. Schwingungen einzelner Profilrohre der Matrix oder auch von Profilrohrgruppen, durch die sowohl Störungen in der Funktion des Wärmeaustausches als auch Materialermüdung verursacht werden könnten, können durch eine feste Abstützung der Profilrohre an den Plattenkammern und deren Abstützung an den umgebenden Strukturen vermieden werden.
• 4. Eine äußere Berandung des Kollektivs der Platten­ kammern könnte in solch dichtem Abstand ausgeführt werden, daß das die Profilrohre und die Platten­ kammern außen umströmende Heißgas optimal geführt wird und ein seitlicher Austritt der Heißgas­ strömung, unter Umgehung des Wärmetauschers, vermieden wird.
• 5. Die Anzahl der auswärts gerichteten Profilrohre einer Rohrreihe kann sich von derjenigen einer ein­ wärts gerichteten unterscheiden. Das kann für die thermodynamische Optimierung des Wärmetauschers von Bedeutung sein; es lassen sich so z.B. gewünschten Falles unterschiedliche Druckluftdurchström­ geschwindigkeiten in den beiden einander entgegen­ gerichtet durchströmten Profilreihen bzw. -schichten erzielen.
• 6. Es sind unterschiedliche Werkstoffe für die beiden einander entgegengerichtet durchströmten Profil­ reihen oder -schichten einsetzbar.

In weiterer Ausgestaltung kann mithin die jeweilige platten­ förmige Kammer also aus zwei Blechen gebildet werden, die die Rohrreihen der Matrix an den entsprechenden Stellen mit ihrem Rand einschließen und an den übrigen gemeinsam gebildeten Rändern ihres Umfanges fest und fluiddicht miteinander verbunden sind.

Zur Versteifung und Stützung gegen die Wirkungen des Innen­ druckes können gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Er­ findung die zwei Platten jeder Kammer an diskreten Stellen miteinander verbunden sein und dabei auch der zur Dar­ stellung des Strömungsquerschnittes erforderliche Abstand hergestellt werden. Diese Verbindungsstellen oder Abstandshalter können z.B. so gestaltet sein, daß sie in zweckmäßiger Weise die Innenströmung des einen Fluids (Druckluft) nicht nur im Sinne einer Strömungsumlenkung, sondern auch im Sinne einer Optimierung der Wärmeüber­ gangsverhältnisse beeinflussen.

Die Platten müssen nicht geradwandig glattflächig ausge­ bildet sein, sondern können mit Wellungen und reliefartigen Strukturen der Fläche versehen sein, durch die sie in der Lage sind, auf thermische Verformungen und Verzerrungen weitgehend weich und formstabil zu reagieren. In doppelter Funktion können diese Wellungen und Reliefstrukturen auch der Verbesserung des Wärmeüberganges entsprechend gestaltet sein. Zur Wahrung enger Kammerabstände zwischen den jeweils beiden Platten wie auch zwischen benachbarten Platten verschiedener Schichten (Heißgaskanäle) ist es ferner im Rahmen der Erfindung vorgesehen, die Formmuster entsprechend untereinander korrelieren zu lassen.

Nach dem schon erwähnten und erörterten Grundgedanken der Erfindung (Patentanspruch 1) beruhen die zuvor gemachten und auf dem Grundgedanken aufbauenden Er­ läuterungen im wesentlichen auf den vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung im Rahmen der Patentan­ sprüche 2 bis 16.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische und teilweise abge­ brochen sowie im wesentlichen schematisch dargestellte Ausführung eines Profilrohr- Platten-Wärmetauschers,

Fig. 2 eine gehäuseseitig teilweise aufge­ brochene Stirnansicht eines Abschnittes einer weiteren Wärmetauscherkonfiguration,

Fig. 3 eine perspektivisch dargestellte, aus zwei Platten gebildete, heißgasaußenseitig im wesentlichen glattwandige Umlenkkammer­ konfiguration mit seitlich darin einmünden­ den Matrixprofilrohren,

Fig. 4 eine teilweise abgebrochen sowie zur besseren Verdeutlichung einer örtlichen Matrixprofilrohreinmündung und -umschließung quer aufgeschnittene Umlenkkammerkon­ figuration,

Fig. 5 die Innenansicht einer kompletten Umlenk­ kammerhälfte, worin als Abstandshalter, Umlenkhilfen bzw. aerodynamische Schikanen ausgebildete Elemente verdeutlicht sind,

Fig. 6 die Innenansicht einer gegenüber Fig. 5 dahingehend abgewandelten Umlenkkammer­ hälfte, daß die Kammer im wesentlichen teilweise exzentrisch gekrümmt bzw. ausgebaucht und in Verbindung mit ent­ sprechender Zuordnung von stiftartigen Distanzelementen eine aerodynamisch optimierte, verlustarme Umlenkung er­ zielt wird,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer gegenüber Fig. 3 und 4 abgewandelten, aus zwei Platten gebildeten Umlenkkammer­ konfiguration mit in Plattenlängsrichtung verlaufenden Wellstrukturen,

Fig. 8 eine gegenüber Fig. 7 dadurch abgewandelte Platten-Umlenkkammerkonfiguration, daß örtliche Wellstrukturen in Plattenquer­ richtung aus- bzw. eingeprägt sind,

Fig. 9 eine gegenüber sämtlich vorhergehenden Varianten vorrangig dadurch abgewandelte, ebenfalls perspektivisch dargestellte Platten-Umlenkkammerkonfiguration, daß eine entsprechend der Anzahl der einmünden­ den Matrixrohrenden entsprechende Zahl von Einzelumlenkkanälen im Wege der gegenseitigen Plattenhälften ausgebildet ist,

Fig. 10 einen lanzettenförmigen Matrixprofilquer­ schnitt und

Fig. 11 eine gehäuseseitig aufgeschnittene Drauf­ sicht eines Wärmetauscherkonzepts mit periodisch kurvenförmigem Verlauf der Profilrohre.

Fig. 1 veranschaulicht einen Profilwärmetauscher in Kreuz-Gegenstrom-Bauweise; dieser weist zwei parallel nebeneinander angeordnete Sammelleitungen 1, 2 auf. Eine seitlich beiderseits von den Sammelleitungen 1, 2 aus­ kragende Profilrohrmatrix ist mit 3 bezeichnet. Der äußere Matrixumlenkabschnitt 4 ist als Plattenwärme­ tauscher ausgebildet.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Profilrohrmatrix 3 kragt quer von den beiden Sammelleitungen 1, 2 gegen die Heißgasströmung H aus.

Wie im Detail deutlicher z.B. aus Fig. 1 bis 5 hervor­ geht, besteht der Matrixumlenkabschnitt 4 aus jeweils Druckluftumlenkkammern 5 bildenden bzw. zwischen sich einschließenden Platten 6, 7 die vorzugsweise entlang deren äußerer Ränder fest und fluiddicht miteinander verbunden sind. An die Platten 6, 7 sind mit den jeweils betreffenden Umlenkkammern 5 kommunizierende, einander entgegengerichtet von Druckluft durchströmte Profil­ rohrreihen 8, 9 der Matrix 3 ein- bzw. austrittsseitig angeschlossen.

Im Betrieb strömt also vorzuwärmende Druckluft D auf einer Seite in die Sammelleitung 1 ein, wird von dort den be­ treffenden Rohrreihen 8 des oberen Matrixblockes zugeführt (D ₁), dann über die im Matrixumlenkabschnitt 4 enthaltenen Umlenkkammern 5 umgelenkt (D ₂), so daß sie in nunmehr ent­ gegengesetzter Strömungsrichtung in den die betreffen­ den Rohrreihen 9 enthaltenden unteren Matrixblock ein­ strömen kann (D ₃), aus dem sie dann un aufgeheizten Zu­ stande in die untere Sammelleitung 2 abfließen kann, um dann schließlich einen geeigneten Verbraucher, z.B. der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes, zugeführt zu werden (D ₄).

Gemäß Fig. 1 kragt der Matrixumlenkabschnitt 4 gegen eine seitliche, die Heißgasführung H, H′ unterstützende Wärmetauschergehäusewand 10 aus. Dabei werden die be­ treffenden Platten 6, 7 entlang deren Außenflächen - siehe auch z.B. Fig. 3 und 4 - von Heißgasanteilen H′ umströmt. Als Folge der paket- bzw. schichtartig aufeinander folgenden Plattenausbildung und -anordnung ergeben sich gemäß Fig. 1 lediglich zur Verdeutlichung des Sachver­ halts hier verhältnismäßig groß dargestellte Abstands­ spalte A für die Heißgasdurchflutung H′.

Danach ist also auch der gesamte Umlenkabschnitt 4 der Matrix 3 in einen gezielten, homogenen, die erforder­ lichen Wärmetauschflächen bereitstellenden Wärmetausch­ prozeß miteinbeziehbar. Die Konturen K, K′ (Fig. 1) charakterisieren den im Rahmen des Standes der Technik üblichen, U-förmigen Matrixbogenendbereich aus Einzel­ profilrohren.

Gemäß Fig. 1 wird davon ausgegangen, daß an die im Bild rechts, abgebrochenen Profilrohrmatrixsektionen selbst­ verständlich eine erfindungsgemäße Matrixumlenksektion als Plattenkonzept nebst relevanter Gehäuseummantelung angeschlossen sein kann.

Der Erfindungsgegenstand ist aber auch dann bereits vorteilhaft praktikabel, wenn nur eine einseitig von den betreffenden Sammelleitungen 1, 2 auskragende Matrix­ konfiguration 3, 4 vorgesehen ist.

Ferner wäre es möglich, beim angegebenen Wärmetauscher­ konzept beide Sammelleitungen als voneinander getrennte Rohrführungen in ein gemeinsames Sammelrohr zu inte­ grieren, wie an sich bekannt.

Gemäß Fig. 2 weisen die jeweils die Umlenkkammern 5 bilden­ den Platten, z.B. 6′, matrixprofilein- bzw. -austrittsseitig abgeschrägte Endflächen 11, 12 auf. In Entsprechung zur außenflächenseitig gerundeten Kontur des Matrixumlenk­ abschnitts 4′ ist die angrenzende Gehäusewand 10′ ausge­ wölbt. Zur Abdichtung des Heißgasleckspaltes 13 - zwischen Gehäusewand 10′ und Umlenkabschnitt 4′ - sind Bürsten­ dichtungen 14, 15 bewegungskompensatorisch ausgebildet und an der Wand 10′ angeordnet. Die Borsten der Bürsten­ dichtungen 14, 15 schmiegen sich stets abdichtend an be­ treffende, die Heißgasspalte A (Fig. 1) nach außen ab­ dichtende Endflächen bzw. eine mit dem Umlenkabschnitt 4′ bzw. dessen Platten - hier 6′,7′ - verbundene Leitwand 16 an. Die einzelnen Platten 6′, 7′ sind durch eine aus Gliedern 17, 18 bestehende Rahmenkonstruktion ent­ sprechend beabstandet (A) zusammengehalten, die ihrer­ seits wiederum bewegungskompensatorisch an der Gehäuse­ wand 10′ aufgehängt ist, und zwar mittels stirnflächiger Anlenkmittel 19, 20.

Aus Fig. 3 und 4 erkennt man ferner, daß in diesen Fällen z.B. die betreffenden Platten 6, 7 außen im wesentlichen glattwandig ausgebildet sind. Die aus Fig. 1 entnehmbaren repräsentativen Symbole für die Heißgasströmung H′ bzw. die jeweilige Druckluftströmung D ₁, D ₃ sind in sinn­ gemäßer Zuordnung auch auf Fig. 3 und Fig. 4 übertragen worden.

Insbesondere Fig. 4 erläutert im Wege der aufgeschnittenen Platten-Kammer-Sektion die aus den örtlichen Plattenaus­ wölbungen 21, 22 bereitgestellte formschlüssige und fluiddichte Umgreifungsmöglichkeit und -ausbildung der örtlich in die betreffende Umlenkkammer 5 einmündenden Profilrohrreihen 8 bzw. 9 der Rohrmatrix 3.

Aus Fig. 3 ist ferner zu erkennen, daß die Anzahl der Rohre der einen Profilrohrreihe 8 hier z.B. größer ist als die Rohranzahl der anderen, in entgegengesetzter Richtung D ₃ von Druckluft durchströmten Profilreihe 9.

Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für im wesent­ lichen unveränderte Grundbauteile verkörpert Fig. 5 eine Umlenkkammerkonfiguration, bei der in erster Linie an diskreten Stellen zwischen zwei benachbarten Platten 6, 7 (Fig. 1, 3 oder 4) den Kammerdurchströmquerschnitt definierende, als Umlenkhilfen ausgebildete Abstands­ stücke, z.B. Zapfen 23 oder Ablenkbleche 24 oder gerade Leitelemente 25 vorgesehen sind. Im Bestreben, eine möglichst geordnete Hauptströmungsumlenkung D ₂ zu er­ zielen, soll es durchaus der Zweck der Anordnung und Ausbildung dieser Zapfen, Bleche und Leitelemente sein, örtliche, an bestimmten Stellen ausgeprägte Wirbel- oder gar Rezirkulationszonen (Pfeile S) zu schaffen, die zur örtlichen Druckluftverweilzeiterhöhung im Interesse eines hohen Wärmeaustauschgrades dienen; bezüglich der Pfeile S handelt es sich dabei also um die zwischen den beiden Rohrreihen 8, 9 liegende "kritische" Unlenkzone, in der - ohne derartige oder ähnliche Bleche oder Zapfen - eine verhältnismäßig ausgeprägte Ablösungszone zu er­ warten ist.

Gemäß Fig. 6 wird - eine möglichst insgesamt homogene Strömungsumlenkung unter vorrangiger Vermeidung einer ausgeprägten Ablösungszone im zuvor in Fig. 5 schon erwähnten kritischen inneren Umlenkbereich - zwischen beiden Rohrreihen 8, 9 in der Umlenkkammer - angestrebt; im Wege entsprechender Plattenkonturierung, z.B. 7′′, bzw. Umlenkkammerkonturierung sowie im Benehmen mit entsprechend örtlich verteilter Anordnung der hier stiftartigen Abstandsmittel 23 im dargestellten Bild aus Strom- und Potentiallinien soll hierzu die Umlenk­ kammer - von links nach rechts gesehen - zunächst einen im wesentlichen kontinuierlich einwärts gekrümmten Verlauf (Kammerteil T ₁) aufweisen. Stromab der inneren Umlenkstelle U soll dann die Umlenkkammer sich auf eine seitlich ausgebauchte Kammersektion größeren Querschnitts (Kammerteil T ₂) erweitern; vom ausge­ bauchten Kammerteil T ₂ aus soll sich dann die Umlenk­ kammer wieder auf einen im Querschnitt verringernden Kammerteil T ₃ verjüngen, der im in Richtung auf die Rohrreihe 9 auslaufenden Abschnitt im wesentlichen auf den betreffenden Zugangsquerschnitt an der Rohr­ reihe 8 in T ₁ abgestimmt ist.

Gemäß Patentanspruch 4 ist der Erfindungsgegenstand nicht darauf beschränkt, sämtliche Umlenkhilfen oder Leitbleche bzw. aerodynamische Schikanen zugleich als Abstandshalter ausbilden zu sollen; es können also lediglich teilweise radial in die Umlenkkammer vor­ stehende, an einer oder beiden Platten 6, 7 aufgebrachte Formkörper oder Blechausprägungen als aerodynamische Schikanen zur Erhöhung des Wärmeaustauschgrades sowie als Umlenkhilfen vorgesehen sein.

Gemäß Patentanspruch 5 können die die Umlenkkammern 5 bildenden Platten 6, 7 heißgas- und/oder durckluftseitig mittels thermische Verformungen kompensierender und/oder den Wärmeaustauschgrad erhöhender Konturierungen ausge­ stattet sein.

Derartige, z.B. auf den betreffenden Heißgas- und Druckluftseiten befindliche wellen- oder reliefartige Konturierungen ergeben sich aus den Fig. 7 und 8, wobei in Fig. 7 die wellenförmigen Konturierungen 26 in Richtung der Heißgasströmung H′ verlaufend ausgebildet sind; in Fig. 8 sind die betreffenden wellenförmigen Konturierungen 27 quer gegen die Heißgasströmungs­ richtung H′ verlaufend ausgebildet.

In zweckmäßiger Ausbildung (Anspruch 7) sollen die be­ treffenden Konturierungen unter Wahrung der kammer­ seitigen Wandbeabstandung (z.B. Kammer 5, Fig. 4) wie auch der heißgasdurchströmseitigen Wand- bzw. Platten­ beabstandung A (Fig. 1) miteinander korrelierend ausge­ bildet sein.

Die Erfindung schließt die Möglichkeit mit ein, Well­ konfigurationen nach Fig. 7 oder 8 mit der Umlenkkammer­ konzeption nach Fig. 5 zu kombinieren oder z.B. Well­ konzepte nach Fig. 7 und 8 jeweils in wechselnder Folge bei einem Matrixumlenkabschnitt 4 vorzusehen.

Fig. 9 verkörpert ein Erfindungskonzept, bei dem mehrere fluidisch voneinander getrennte kanalförmige Umlenkkammern zwischen je zwei Platten 6, 7 des Matrixumlenkabschnitts 4 angeordnet sind (Anspruch 10); dabei ist die Anzahl der kanalförmigen Umlenkkammern auf die Anzahl der darin einmündenden Rohre einer Matrixprofilreihe 8 bzw. 9 abgestimmt (Anspruch 11); ferner werden in Fig. 9 die kanalförmigen Umlenkkammern zwischen gegenseitigen Halb­ profilausformungen 28, 29 der jeweils beiden benach­ barten Platten 6, 7 ausgebildet (Anspruch 12).

Nicht weiter dargestellt, beinhaltet die Erfindung (An­ spruch 10) aber auch den Gedanken, z.B. zwei fluidisch voneinander getrennte kanalförmige Umlenkkammern vorzu­ sehen und z.B. in jede Umlenkkammer zwei Rohre einer Matrixprofilrohrreihe 8 bzw. 9 einmünden zu lassen.

Je nach Bedarf können im Rahmen des Anspruches 10 aber auch teilweise fluidisch miteinander kommunizierende kanalförmige Umlenkkammern vorgesehen sein.

Fig. 10 veranschaulicht ein beim Erfindungsgegenstand vorteilhaft einsetzbares, im Querschnitt linsen- oder lanzettenförmiges Hohlprofil, also ein aerodynamisch optimiertes, in Richtung der Heißgasströmung H an- und abströmseitig strömungsgünstig zugespitzt auslaufendes Profil für die jeweiligen Profilrohrreihen 8 bzw. 9 der Matrix 3 (Fig. 1).

Fig. 11 verkörpert eine weitere Erfindungsvariante (Anspruch 8), wonach die Profilrohre bzw. Profilrohr­ reihen, hier also im Wege der oberen Profilrohrreihen 8 veranschaulicht, mit einem in Richtung ihrer Längsachsen periodisch kurvenförmigen Verlauf zwischen den Sammel­ leitungen, hier also der oberen Sammelleitung 1 und den betreffenden Platten 6, 7 des Matrixumlenkabschnitts 4 angeordnet sind. Darin sind Abstandshalter zwischen den Profilrohren mit 30 bezeichnet. Im einzelnen hierzu folgendes:.

Durch den nach beiden Seiten periodisch ausladenden Kurvenverlauf der Längsachse erhält das Lanzettenrohr mehr Freiheitsgrade, um gegenüber Verschiebungen weich, d.h. mit nur geringen Gegenkräften, zu reagieren:

• - Störungen im Längsabstand der Rohrenden (z.B. durch Wärmedehnungen des Rohres relativ zur Haltebasis, durch Verschiebungen der Haltebasen gegeneinander in Richtung der Rohrachse) werden durch Biegung des Profilrohres aufgenommen und ausgeglichen, sowie von den Formverhältnissen der Kurve vorgegeben. Ab­ hängig vom Maß der seitlichen Ausladung des Kurven­ verlaufes sind die Querverschiebungen des Profil­ rohres unter der Wirkung von Längenänderungen (z.B. als Folge von Wärmedehnungen) dabei um Größenordnungen kleiner als der entsprechende Quer­ ausschlag eines seitlich ausknickenden zunächst geradachsigen Rohres.
• - Querverschiebungen der Rohrenden in der Ebene der Kurve werden durch Biegung ausgeglichen.
• - Bei Verschiebungen senkrecht dazu würde das gerad­ linige Lanzettenrohr um seine Querachse mit dem größten Widerstandsmoment gebogen und entsprechend große Reaktionskräfte entwickeln. Im Unterschied dazu reagiert das mit dem periodischen Kurvenver­ lauf seiner Längsachse ausgestattete Profilrohr in einem solchen Falle mit weichen Torsionsver­ formungen.
• - Durch die örtlich unterschiedlichen Verhältnisse des Wärmeübergangs in Richtung der Außenströmung längs des Lanzettenrohrquerschnittes treten auf der Anströmseite (leading edge) höhere Materialtempe­ raturen als auf der Abströmseite auf. Die dadurch verursachte unterschiedliche thermische Längsdehnung des Lanzettenrohres würde beim geradlinigen Verlauf seiner Längsachse das Profilrohr zu einer Verbiegung in Richtung auf die heißere Seite veranlassen. Diese Verbiegung kann beträchtliche Werte annehmen und das Lanzettenrohr aus der ihm konstruktiv vorgegebenen Stellung im Strömungsfeld verlagern, so daß Einbußen in der Effektivität des Wärmetauschers und eventuell auch erhöhte Druckverluste in Kauf genommen werden müssten.

In einem solchen Falle wird das Lanzettenrohr mit periodisch wechselndem Kurvenverlauf wesentlich weniger aus seiner Position gedrängt. Zwar erfahren Vorder- und Hinterkante ebenfalls unterschiedliche thermische Längsdehnungen; dem Gesetz der Kurven­ form folgend, verlaufen sie aber homolog zueinander in einem Verzerrungszustand, der die lanzetten­ förmigen Rohrquerschnitte tordiert. Dabei werden nur geringe thermische Spannungen aufgebaut, so daß das Profilrohr im wesentlichen in der Ebene seines Kurvenverlaufes verbleibt und sich kaum in Richtung auf die höhere Temperatur verbiegt.

Claims (16)

1. Wärmetauscher mit zwei im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten Sammelleitungen und einer heißgasumströmten Kreuz-Gegenstrom-Profilrohr-Matrix, in die über die eine Sammelleitung aufzuheizende Druckluft eingespeist und über einen Matrixumlenk­ abschnitt der anderen Sammelleitung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixumlenkabschnitt (4) als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrixumlenkabschnitt (4) aus Druckluftumlenk­ kammern (5) bildenden, fest und fluiddicht mitein­ ander verbundenen Platten (6, 7) besteht, an die ein­ ander entgegengerichtet von Druckluft (D ₁, D ₃) durch­ strömte Profilrohrreihen (8, 9) der Matrix (3) ein- und austrittsseitig angeschlossen sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an diskreten Stellen zwischen jeweils zwei Platten (6, 7) den Kammerdurchströmquerschnitt definierende, zumindest teilweise als Umlenkhilfen ausgebildete Abstandsstücke (23, 24) angeordnet sind.

4. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstands­ stücke und/oder anderweitige, entlang der inneren Kammerbewandung aufgebrachte Formkörper bzw. Aus­ prägungen als aerodynamische Schikanen zur Erhöhung des Wärmeaustauschgrades ausgebildet sind.

5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die die Umlenk­ kammern (5) bildenden Platten (6, 7) heißgas- und/oder druckluftseitig mittels thermische Verformungen kompen­ sierender und/oder den Wärmetauschgrad erhöhender Konturierungen (26, 27) ausgestattet sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konturierungen wellenförmig oder reliefartig ausgebildet sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Konturierungen der Platten (6, 7) unter Wahrung der kammerseitigen Wandbeabstandung wie auch der gegenseitigen heißgasdurchströmseitigen Wand­ beabstandung miteinander korrelierend ausgebildet sind.

8. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohre bzw. Profilrohrreihen (8, 9) der Matrix (3) mit einem in Richtung ihrer Längsachsen kurvenförmigen Verlauf zwischen den betreffenden Sammelleitungen (1, 2) und den betreffenden Platten (6, 7) des Matrixumlenkab­ schnitts (4) angeordnet sind.

9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die druckluftein­ bzw. austrittsseitigen Enden betreffender Matrixprofil­ rohrreihen (8, 9) zwischen gegenseitig korrespondierend vorgeformten Endsektionen der jeweils beiden Platten (6, 7) einer Umlenkkammer (5) formschlüssig und fluid­ dicht befestigt sind.

10. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Platten (6, 7) des Matrixumlenkabschnitts (4) mehrere zumindest teilweise fluidisch voneinander getrennte kanalförmige Umlenkkammern eingeschlossen sind.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der kanalförmigen Umlenkkammern auf die Anzahl der darin einmündenden Matrixprofilrohre bzw. die Anzahl der Rohre einer Profilrohrreihe (8, 9) abgestimmt ist.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die kanalförmigen Umlenkkammern zwischen bzw. aus gegenseitigen Halbprofilausformungen (28, 29) zweier benachbarter Platten (6, 7) ausgebildet sind.

13. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlprofil­ körper ein kreisförmiges oder lanzetten- bzw. linsen­ förmiges, aerodynamisch optimiertes, in Richtung der Heißgasströmung an- und abströmseitig zugespitzt aus­ laufendes Profil aufweisen (Fig. 10).

14. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einander entgegengerichtet von Druckluft durchströmten Profil­ rohrreihen (8, 9) der Matrix (3) mit Abstand im wesent­ lichen parallel nebeneinander sowie quer gegenüber der Heißgasströmungsrichtung (H) verlaufend angeordnet sind.

15. Wärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohranzahl der einen Profilreihe (8) von derjenigen der in entgegengesetzter Richtung von Druckluft durchströmten Profilreihe (9) abweicht (Fig. 3, 7 und 8).

16. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß unter ent­ sprechender Zuordnung die Umlenkung und den Wärme­ tauschprozeß fördernder Abstandselemente, z.B. Stifte (23), die Umlenkkammer von der Eintritts- nach der Austrittsseite bogenförmig derart gekrümmt ist, daß sie von einem zunächst im wesentlichen kontinuier­ lich gekrümmten Kammerteil (T ₁) aus stromab eines inneren Umlenkbogenendes (U), sich auf einen einseitig ausgebauchten Kammerteil (T ₂) größeren Querschnitts erweitert und von dort auf einen nach innen einge­ zogenen Kammerteil (T ₃) ausläuft, dessen austritts­ seitiger Querschnitt im wesentlichen mit dem zuström­ seitigen Querschnitt der Umlenkkammer identisch ist (Fig. 6).