DE3834941A1 - Waermeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmeaustauscher und ins­ besondere auf kompakte Wärmeaustauscher, die in der Lage sind, hohe thermische Gradienten aufzunehmen.

Ein allgemein bekannter kompakter Wärmeaustauscher wird allgemein als Platten-Rippen-Austauscher bezeichnet. Der­ artige Wärmeaustauscher weisen eine Matrix auf, die von einem Stapel von Wellblechen geliefert wird, von denen jedes von dem benachbarten Blech durch ein ebenes Blech getrennt ist. Die Wellbleche und die ebenen Bleche sind miteinander verlötet, so daß ein Wellblech und zwei par­ allele Bleche zusammenwirken, um mehrere parallele Strö­ mungskanäle für das Wärmeaustauschermittel zu definie­ ren. Abwechselnde Wellbleche sind rechtwinklig zueinander derart angestellt, daß abwechselnde Kanäle entsprechend rechwinklig zueinander verlaufen. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, daß ein erstes Wärmeaustauscher­ mittel über abwechselnde Kanäle strömt und ein zweites Wärmeaustauschermittel über die übrigen Kanäle. Eine sol­ che Anordnung ermöglicht die Anbringung geeigneter Ver­ teilerleitungen für die ersten und zweiten Strömungsmit­ tel an den Rändern der Matrix.

Derartige Wärmeaustauscherkonstruktionen haben jedoch Nachteile, die ihre Benutzung bei gewissen Anwendungen beschränken. Da die ersten und zweiten Wärmeaustauscher­ medien in Richtungen strömen, die senkrecht zueinander verlaufen, ist das Ausmaß des Wärmeaustausches zwischen ihnen nicht so groß wie es dann wäre, wenn eine wirkliche Gegenströmung erfolgte. Ein weiterer Nachteil liegt dar­ in, daß die Wellbleche an den ebenen Blechen angelötet sind. Wenn hohe Temperaturdifferenzen zwischen erstem und zweitem Wärmeaustauschermittel bestehen, führen die re­ sultierenden hohen thermischen Gradienten in der starren Wärmeaustauschermatrix möglicherweise zu einer uner­ wünschten Rissebildung oder einem Aufreißen der Lötver­ bindung. Wenn eine solche Rissebildung oder Lösung der Verlötung erfolgt, ergeben sich große Schwierigkeiten bei einer Reparatur, da ein große Zahl von Lötverbindungen aufgebrochen werden muß, um den fehlerhaften Teil der Matrix zugänglich zu machen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine ver­ besserte Form eines Wärmeaustauschers zu schaffen, bei dem diese Schwierigkeiten im wesentlichen verhindert sind.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe gelöst durch einen Wärmeaustauscher, der eine Matrix aufweist, die durch mehrere abwechselnde ebene und gewellte Bleche gebildet ist, die zusammenwirken, um mehrere allgemein parallele Kanäle zu definieren. Abwechselnde Kanäle, die von den Wellblechen und den benachbarten ebenen Blechen definiert werden, führen ein erstes Wärmeaustauschermit­ tel, und die übrigen Kanäle führen ein zweites Wärmeaus­ tauschermittel. Die Kanäle für das erste Wärmeaus­ tauschermittel sind so angeordnet, daß jede direkte Berüh­ rung zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeaustau­ schermittel verhindert wird. Es sind erste Verteilerlei­ tungen vorgesehen und so angeordnet, daß sie betriebsmäßig das erste Wärmeaustauschermittel in jeden Kanal für die­ ses erste Wärmeaustauchermittel einführen, und zweite Verteilerleitungen nehmen das erste Wärmeaustauschermit­ tel aus diesen Kanälen auf.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine allgemeine Ansicht eines Wärmeaustau­ schers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles C gemäß Fig. 1 betrachtet,

Fig. 3 eine teilweise abgebrochene perspektivische Ansicht des Wärmeaustauschers gemäß Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine geschnittene Seitenansicht eines Teils der Matrix des Wärmeaustauschers gemäß Fig. 1 bis 3,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie B-B gemäß Fig. 4.

Der in Fig. 1 dargestellte Wärmeaustauscher (10) umfaßt eine Matrix (11), die aus mehreren gleichen Moduln (12) besteht, die hart miteinander verlötet sind. Der Wärme­ austauscher (10) dient dazu, zwei Strömungsmittel im Wärmeaustausch zueinander zu führen. Das erste Strömungs­ mittel, welches beispielsweise komprimierte Luft sein kann, die der Verbrennung in einem Gasturbinentriebwerk dient, tritt in den Wärmeaustauscher (10) über eine Lei­ tung (13) ein und wird aus dem Wärmeaustauscher (10) über eine weitere Leitung (14) ausgeblasen. Das zweite Wärme­ austauschermittel, welches beispielsweise von der heißen Abgasströmung des Gasturbinentriebwerks herrühren kann, strömt in der durch die Pfeile (15) angegebenen Richtung durch die Wärmeaustauschermatrix (11) und wird aus dieser in Richtung der Pfeile (21) ausgeblasen.

Wie am besten aus Fig. 2 ersichtlich, liegen Einlaß und Auslaß der Leitungen (13 und 14) für das erste Wärmeaus­ tauschermittel auf gegenüberliegenden Seiten der Matrix (11).

Der Innenaufbau der Wärmeaustauschermatrix (11) läßt sich am deutlichsten aus Fig. 3 entnehmen. Die Matrix (11) um­ faßt im wesentlichen einen Stapel abwechselnder Schichten ebener Metallbleche (16) und gewellter Metallbleche (17), wobei die gewellten Metallbleche (17) so angeordnet sind, daß alle Wellungen parallel verlaufen. Über den Hauptteil ihrer aneinanderstoßenden Oberflächen besteht keine Ver­ bindung zwischen den ebenen und den gewellten Blechen (16 und 17). Tatsächlich besteht die einzige Verbindung zwi­ schen den ebenen und gewellten Blechen (16 und 17) in Hartverlötungsverbindungen, von denen eine (18) in Fig. 3 längs der Abschnitte des Umfangs der Matrix (11) ersicht­ lich ist, die parallel zu den Wellungen des Wellblechs (17) liegen.

Der Vorteil der Vermeidung jeder Hauptverbindung zwischen den ebenen und gewellten Blechen (16 und 17) besteht dar­ in, daß die gesamte Matrix (11) weniger anfällig für Be­ schädigungen, beispielsweise für Rissebildung, ist, die von thermischen Gradienten innerhalb der Matrix herrüh­ ren.

Die ebenen Bleche (16) und die gewellten Bleche (17) de­ finieren zusammen eine große Zahl paralleler Kanäle (19 und 20) innerhalb der Matrix (11). Die Kanäle (19) sind nach der zweiten Wärmeaustauscherströmung offen, wie durch die Pfeile (15) angedeutet. So strömt das zweite Wärmeaustauschermittel in die Wärmeaustauschermatrix (11) in Richtung der Pfeile (15) ein und durchströmt dann die Kanäle (19) und wird aus der Matrix (11) in Richtung der Pfeile (21) ausgeblasen.

Die Kanäle (20) wechseln mit den Kanälen (19) bei einem gegebenen Wellblech (17) und den benachbarten ebenen Ble­ chen (16) ab, die hiermit zusammenwirken. Die Kanäle (20) dienen dem Durchtritt des ersten Wärmeaustauschermittels und es ist ersichtlich, daß erste und zweite Wärmeaustau­ schermittel auf gegenüberliegenden Seiten jeden Wellble­ ches (17) befindlich sind und in Gegenströmung in wirksa­ mer Wärmeübertragung zueinander stehen.

Um zu gewährleisten, daß die ersten und zweiten Wärmeaus­ tauschermittelströmungen nicht in unmittelbare Berührung miteinander kommen, konvergieren benachbarte Paare von Wellblechen (17) an jedem ihrer Strömungsenden, und sie sind miteinander durch eine geeignete Hartlötverbindung (22) verbunden, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. So schließt jedes Wellblechpaar (17) mehrere erste Wärmeaus­ tauscherkanäle (20) ein, die völlig getrennt sind von den zweiten Wärmeaustauscherströmungskanälen (19).

Das erste Wärmeaustauschermittel wird durch eine erste Verteilerleitung (23) in die Kanäle (20) eingeführt, die durch zwei Wellbleche (17) umschlossen sind. Jede Vertei­ lerleitung (23) hat, wie aus Fig. 3 und 4 ersichtlich, einen hexagonalen Querschnitt und liegt zwischen jedem Paar von Wellblechen (17), benachbart zu einem Strömungs­ ende. Um eine Anpassung an jede Verteilerleitung (23) zu bewirken, ist jedes zweite ebene Blech (16) kürzer als die zwei Wellbleche (17), die benachbart hierzu liegen. Außerdem sind die Wellungen in jedem Wellblech (17) so ausgebildet, daß sie eine kleinere Amplitude im Bereich der Verteilerleitung (23) haben als in ihrem übrigen Teil. Dies ist deutlich aus den Fig. 4, 5 und 6 ersicht­ lich. Aus Fig. 4 ist ferner erkennbar, daß eine zweite Verteilerleitung (24) für den Austritt der ersten Wärme­ austauscherströmung aus den Kanälen (20) durch das glei­ che Paar von Wellblechen (17) eingeschlossen ist, die die erste Verteilerleitung (23) einschließen. Die zweite Ver­ teilerleitung (24) hat die gleiche Gestalt und wird von dem Wellblechpaar (17) in der gleichen Weise umschlossen wie die erste Verteilerleitung (23).

Wie erwähnt, ist jedes zweite ebene Blech (16) kürzer als das Wellblechpaar (17). Wie aus Fig. 4 ersichtlich, stößt jedes Ende der kürzeren ebenen Bleche (16) an die erste bzw. zweite Verteilerleitung (23 und 24) an.

Ein weiteres Merkmal der beiden kürzeren ebenen Bleche (16) ergibt sich im Zusammenhang mit Fig. 3. Hieraus ist ersichtlich, daß unmittelbar benachbart jede der ersten Verteilerleitungen (23) und jedes der kürzeren ebenen Bleche mit einem integralen ringförmig gestalteten Fort­ satzstück (25) versehen ist, das über die Wärmeaustau­ schermatrix (11) vorsteht. Jedes Fortsatzstück (25) liegt seinerseits zwischen einem Paar von ringförmig gestalte­ ten, nach außen im Querschnitt abgestuften Teilen (26) und ist mit diesen verbunden, die integral mit den Rän­ dern der Wellbleche (17) hergestellt oder mit diesen ver­ bunden sind.

Benachbart zu dem abgesetzten Querschnitt sind die Ring­ körper (26) miteinander verbunden, so daß die Körper (26) und die Fortsätze (25) zusammenwirken, um einen Kanal (27) zu bilden. Eine Abdeckplatte (28) dichtet ein Ende des Kanals (27) ab, während die erste Wärmeaustauscher­ flüssigkeits-Einlaßleitung (13) in Strömungsverbindung mit dem anderen Ende steht, wie aus Fig. 1 ersichtlich.

Zusätzliche Fortsatzstücke (25) und abgesetzt im Quer­ schnitt ausgebildete Teile (26) definieren einen zweiten Kanal (29), der dem ersten Kanal (27) entspricht und außerhalb der Matrix (11) benachbart zu der zweiten Ver­ teilerleitung (24) liegt. Eine Abschlußplatte (30) dich­ tet ein Ende der Leitung (29) ab, während das andere Ende in Strömungsverbindung mit der Auslaßleitung (14) für das erste Wärmeaustaucherströmungsmittel steht.

Die erste und zweite Verteilerleitung (23 und 24) stehen in Strömungsverbindung mit dem Inneren der ersten Leitung (27) bzw. der zweiten Leitung (29). So strömt das erste Wärmeaustauschermittel betriebsmäßig durch die Leitung (13) in den ersten Kanal (27), von wo es in die erste Verteilerleitung (23) fließt. Jede der ersten Verteiler­ leitungen (23) ist mit mehreren Öffnungen (31) versehen (wie aus Fig. 3 und 4 ersichtlich), die so angeordnet sind, daß sie das erste Wärmeaustauschermittel in die Matrixkanäle (20) richten. So liegt jede Öffnung (31) am äußersten Rand (32) der ersten Verteilerleitung (23), so daß das erste Wärmeaustauschermittel in einen der Kanäle (20) eingeleitet wird. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, rich­ ten die Öffnungen (31) das erste Wärmeaustauschermittel in Kanäle (20), die auf jeder Seite der Verteilerleitung (23) angeordnet sind, die diese trennt.

Die zweiten Verteilerleitungen (24) sind mit mehreren Öffnungen (33) an ihren äußersten Rändern (34) gemäß Fig. 4 versehen, die den Öffnungen (31) in den ersten Vertei­ lerleitungen (23) entsprechen. Demgemäß ist jede der Öff­ nungen (33) in den zweiten Verteilerleitungen (24) so an­ geordnet, daß das erste Wärmeaustauschermittel empfangen wird, das durch einen der Kanäle (20) geströmt ist. Die zweiten Verteilerleitungen (24) richten dann das erste Wärmeaustauschermittel, welches nunmehr natürlich in Wärmeaustauschbeziehung mit dem zweiten Wärmeaustauscher­ mittel steht, das die Kanäle (19) durchströmt, in den zweiten Kanal (29), von wo es in die Leitung (14) ab­ fließt.

Um eine Anpassung an Druckänderungen zwischen benachbar­ ten Kanälen (19) und benachbarten Kanälen (20) zu bewir­ ken, ist jedes ebene Blech (16), wie aus Fig. 3 ersicht­ lich, mit einer großen Zahl von Langlöchern (35) ausgestattet, die jeweils benachbarte Kanäle (19) und be­ nachbarte Kanäle (20) überbrücken, so daß eine Querströ­ mung von erstem Wärmeaustauschmittel zwischen benachbar­ ten Kanälen (20) und eine Querströmung des zweiten Wärmeaustauschermittels zwischen benachbarten Kanälen (19) erfolgen kann, wodurch ein Druckausgleich zustande­ kommt.

So umfaßt jedes Modul (12) zwei Wellbleche (17), zwei ebene Bleche (16), zwei Verteilerleitungen (23 und 24) zusammen mit dem Aufbau, der erforderlich ist, um Ab­ schnitte der Leitungen (27 und 29) zu definieren. Es ist daher einfach, eine geeignete Zahl von Moduln (12) aufzu­ bauen, bis ein Wärmeaustauscher der gewünschten Größe hergestellt ist. Die Hartlötverbindungen (18), die die Moduln (12) zusammenhalten, liegen außerhalb des Moduls (12) und demgemäß außerhalb der Matrix (11).

Es ist daher klar, daß die Wärmeaustaucher gemäß der Er­ findungen einen wirksamen Gegenströmungswärmeaustausch zwi­ schen einem ersten und einem zweiten Wärmeaustauschmittel innerhalb eines sehr kompakten Aufbaus gewährleisten. Außerdem bedeutet die Modulgestalt der Wärmeaustauscher, daß auf einfache Weise ein Wärmeaustauscher geeigneter Kapazität dadurch aufgebaut werden kann, daß eine ent­ sprechende Zahl von Moduln (12) aufeinandergestapelt wird.

Ein weiterer Vorteil von Wärmeaustauschern gemäß der Er­ findung besteht darin, daß die einzigen Lötverbindungen (18) im Wärmeaustauscher außerhalb desselben liegen und daher leicht zum Zwecke der Reparatur zugänglich sind.

Wenn demgemäß die Matrix (11) innen beschädigt werden sollte, dann brauchen nur die äußeren Verbindungen (18) aufgebrochen zu werden, um das Innere der Matrix (11) zu­ gänglich zu machen. Das Fehlen von inneren Verbindungen innerhalb der Matrix (11) gewährleistet außerdem eine be­ grenzte Relativbewegung zwischen den verschiedenen Bau­ teilen innerhalb der Matrix (11), so daß die Matrix sehr widerstandsfähig gegenüber Beschädigungen infolge hoher thermischer Gradienten wird.

Claims (9)

1. Wärmeaustauscher mit einer Matrix, welche durch einen Stapel von abwechselnden ebenen Blechen und gewellten Blechen gebildet wird, die zusammen meh­ rere parallele Kanäle bilden, wobei jeder zweite Kanal durch die Wellbleche und das benachbarte ebene Blech gebildet wird und diese Kanäle ein er­ stes Wärmeaustauschermittel führen, während die übrigen Kanäle zum Durchtritt eines zweiten Wärme­ austauschermittels vorgesehen sind, wobei die Kanäle zum Durchtritt des ersten Wärmeaustauscher­ mittels so ausgebildet sind, daß eine direkte Be­ rührung zwischen erstem und zweitem Wärmeaustau­ schermittel verhindert ist, und wobei Verteilerlei­ tungen vorgesehen sind, die betriebsmäßig das erste Wärmeaustauschermittel in jeden der Kanäle für das erste Wärmeaustauschermittel einleiten, während zweite Verteilerleitungen betriebsmäßig dieses er­ ste Wärmeaustauschermedium aus den Kanälen für dieses erste Wärmeaustauschermittel abführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellbleche (17) in Richtung der Kanäle (19, 20) länger sind als die hiermit abwechselnden ebenen Bleche (16), daß die ersten und zweiten Verteilerlei­ tungen (23, 24) benachbart zu den Enden der kürzeren ebenen Bleche (16) und zwischen benachbarten Wellble­ chen (17) derart angeordnet sind, daß sie hiermit in Berührung stehen, und daß die Amplitude der Wellungen in den Wellblechen (17) in der Nähe der Verteilerlei­ tungen (23, 24) vermindert ist, um eine Anpassung an die Verteilerleitungen (23, 24) zu ermöglichen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der benachbarten Wellbleche (17) mit verminderter Amplitude sich über die ersten und zweiten Verteiler­ leitungen (23, 24) erstrecken, um zu konvergieren und dichtend aneinander anzugreifen und dadurch eine di­ rekte Berührung zwischen dem ersten und zweiten Wärmeaustauschermittel zu verhindern.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen und gewellten Bleche (16, 17) nur längs jenen Abschnitten des Umfangs der Bleche (17) verbunden sind, die all­ gemein parallel zu den definierten Kanälen (19, 20) liegen.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Verteilerleitungen (23, 24) das erste Wärme­ austauschermittel in die Kanäle (20) richtet, die für das erste Wärmeaustauschermittel bestimmt sind, und das erste Wärmeaustauschermittel in einer Richtung austreten lassen, die allgemein der Strömungsrichtung des zweiten Wärmeaustauchermittels durch die Kanäle (19) entgegengesetzt ist, die das zweite Wärmeaustau­ schermittel führen.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Verteilerleitungen (23, 24) mit mehreren Öff­ nungen (31, 34) versehen sind, um das erste Wärmeaus­ tauschermittel in die Kanäle (20) für dieses Mittel einzuführen und aus diesen abzuführen, wobei jede Öffnung (31, 34) derart angeordnet ist, daß eine Strö­ mungsverbindung mit einem der Kanäle (20) besteht, die das erste Wärmeaustauschermittel führen.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes ebene Blech (16) mit Schlitzen (35) versehen ist, die eine Quer­ strömung des zweiten Wärmeaustauschermittels zwischen den Kanälen (19) ermöglichen, die das zweite Wärme­ austauschermittel führen.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Leitungen (27, 29) an jedem Ende der Wärmeaustau­ schermatrix vorgesehen sind, wobei die Leitungen (27) in Strömungsverbindung mit der ersten Verteiler­ leitung (23) stehen und das erste Wärmeaustauscher­ mittel aufnehmen und in die erste Verteilerleitung (23) richten, während die zweiten Leitungen (29) in Strömungsverbindung mit der zweiten Verteilerleitung (24) stehen und das erste Wärmeaustauschermittel auf­ nehmen, das aus der zweiten Verteilerleistung (24) austritt.

8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Leitungen (27, 29) wenigstens teilweise von Abschnitten der ebenen Bleche (16) gebildet werden, die über den Stoßbereich zwischen den ebenen Blechen (16) und den Wellblechen (17) vorstehen.

9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (11) mehrere erste Verteilerleitungen (23) und mehrere zweite Verteilerleitungen (24) aufweist.