DE3146089A1 - "waermetauscher fuer gase stark unterschiedlicher temperaturen" - Google Patents

Description

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MTU MOTOREN- UND TURBINEN-UNION MÖNCHEN GMBH

München, den 27.10.1981

. Wärmetauscher für Gase stark unterschiedlicher Temperaturen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher zur Führung von Gasen stark unterschiedlicher Temperaturen, dessen im Heißgasstrom liegende Kreuz-Gegenstrom-Matrix aus separaten Röhrchen oder lanzettenartigen, hohlen Strömungsprofilen besteht, die einerseits an eine erste stationäre Rohrführung zur Druckluftzufuhr in die be-

treffenden Matrix-Kanäle und andererseits an eine zweite stationäre Rohrführung angeschlossen sind, aus der die über die Matrix aufgeheizte Druckluft einem Verbraucher zugeführt wird, wobei die beiden getrennten Rohrführungen

entweder in ein gemeinsames Sammelrohr integriert oder 25

von im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten

Einzelrohren gebildet sind, und wobei die Wärmetauschermatrix bzw. deren betreffende Druckluftkanal führungen (Röhrchen, Hohlprofile) gegenüber der bzw. den betreffenden Rohrlängsachsen seitlich U-förmig auskragend ver-30

laufen.

Bei derartigen bekannten Wärmetauschern, wie sie z.B.

aus DE-OS 29 07 810 bekannt sind, d.h. also bei derartigen

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bekannten Röhrchen- oder Lanzettenwärmetauschern treten an ganz bestimmten Stellen Risse auf, und zv/ar im Matrix-Randgebiet. Die Ursache derartiger Risse ist in den ungleichmäßigen Temperaturen im Hauptrohr, insbesondere bei instationärem Betrieb zu suchen. Die Praxis hat nämlich gezeigt, daß der betreffende jeweilige Matrixrandbereich des Wärmetauschers Gas- und Lufttemperaturänderunqen wesentlich schneller als der übrige Rohrbereich folgt, weil dort die für die Wärmeübertragung zur Verfugung stehende Fläche wesentlich größer ist.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, diese zu Bekanntem vorgetragenen Nachteile zu beseitigen und einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Einsatzzeitraum trotz erheblich unterschiedlicher Temperaturbeanspruchungen, die das genannte Matrix-Gebiet gefährden, wesentlich erhöht werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist es erfindungsgemäß

hauptsächlich vorgesehen, daß die in den außerhalb des Wärmetauscher-rMatrix-Anschlußbereichs befindlichen Zonen an dem bzw. den Zu- bzw. Abführungsrohren eine membranartig gewellte Wandstruktur aufweisen sollen.

Auf diese Weise können auftretende Normal spannungen infolge unterschiedlicher Wärmedehnungen durch Biegevorgänge im elastischen Bereich reduziert und etwaige Kerbewirkungen, die insbesondere bei den sog. lanzettenartigen Profilen zu erwarten sind, weitestgehend entschärft werden.

Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung nachfolgend beispielsweise erläutert;

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-6-es zeigen:

Fig. 1 die Perspektive Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers unter Verwendung eines gemeinsamen Haupt

rohrs für die gleichzeitig voneinander getrennte Zu- bzw. Abführung der Hochdruckluft in den, bzw. aus dem

Wärmetauscher,
IO

Fig. 2 die Vorderansicht eines im wesentlichen im Sinne der Fig. 1 ausgebildeten Wärmetauschers, worin speziell die örtliche Verteilung der er-

¹^ findungsgemäß ausgebildeten wellen

artigen Rohrzonen näher erläutert ist, ·

Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungs- ^ gemäßen Wärmetauschers, bei dem im

Gegensatz zu den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 zwei im wesentlichen parallel nebeneinander angeordnete Hauptrohre einerseits für die Zuführung, andererseits für die Abführung der Hochdruckluft vorgesehen sind,

Fig. 4 die Vorderansicht eines im wesent-

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liehen im Sinne der Fig. 3 ausgebildeten Wärmetauschers, worin speziell die örtliche Verteilung der erfindunqsqemäß ausgebildeten wellenartigen Rohrzonen näher definiert

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Fig. 5 die Seitenansicht eines Wärmetauscherabschnitts unter Erläuterung des Erfindungsgegenstandes, wobei die Wärmetauscher-Matrix aus Röhrchen gebildet ist und in wechselnder Folge nutartige Vertiefungen in Rohrlängsrichtung eingearbeitet sind, die mit ihren jeweiligen Endabschnitten in den betreffenden Matrixbereich hereinragen,

Fig. 6 eine gegenüber Fig. 5 dahingehend abgewandelte Variante, daß anstelle von Röhrchen für die Wärmetauscher-Matrix lanzettenartige Strömungsprofile vorge-

sehen sind,

Fig. 7 eine gegenüber den Fig. 5 und 6 dahingehend abgewandelte Variante, daß die lanzettenartigen Strömungsprofile der

betreffenden Wärmetauscher-Matrix zur betreffenden Rohrlängsachse geneigt verlaufen,

Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII

der Fig. 7, worin die betreffende Rohrwellungsstruktur in Form nutartiger Vertiefungen verdeutlicht ist,

Fig. 9 eine entsprechend Fig. 8 aufgeschnittene,

hier jedoch rein wellenförmige Rohrwandstruktur,

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-δι Fig. 10 eine im Sinne der Fig. 8 und 9 aufgeschnittene, hier jedoch im wesentlichen zickzackförmig gewellte Rohrwandstruktur,

Fig. 11 eine im Sinne der vorangegangenen Fig. 8,

9 und 10 aufgeschnittene, hier jedoch im wesentlichen aus jeweils trapezartigen Vertiefungen gebildete Rohrwandstruktur,

Fig. 12 die Seitenansicht eines Wärmetauschers in

erfindungsgemäßer Ausbildung, wobei die betreffende Wärmetauscher-Matrix teilweise aufgeschnitten dargestellt ist und die jeweiligen wellenartigen Vertiefungen im

!5 Sinne der betreffenden Wärmetauscher-

Matrix (Strömungsprofile) zur Rohrlängsachse unter gleichem Winkel geneigt sind und

Fig. 13 die Vorderansicht einer weiteren Wärmetauschervariante mit zusätzlichen Luftführungsblechen innerhalb einer von zwei im wesentlichen parallel nebeneinander

angeordneten Rohrleitungen. 25

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Die Fig. 1 und 2 erläutern einen beispielsweise bei Gasturbinentriebwerken einsetzbaren Wärmetauscher, dessen jeweilige im Heißgasstrom G liegende Kreuz-Gegen-Strom-Matrix 1 hier beispielsweise aus voneinander seperaten Röhrchen besteht, wobei gemäß Fig. 1 entsprechend dem dargestellten Ausschnitt aus dem Wärmetauscherboden 3 die zugehörigen Löcher für die genannten Wärmetauscherröhrchen mit 2 bezeichnet sind. In später noch näher erläuterter Weise kann ein derartiger oder ähnlicher Wärmetauscher anstelle der Röhrchen für die Matrix aus sogenannten lanzettenartigen hohlen Strömungsprofilen zusammengesetzt sein.

Die betreffenden Röhrchen oder Strömungsprofile sind gemäß Fig. 1 an eine stationäre Rohrführung 4 für die Zufuhr der über die Matrix vorzuwärmenden Druckluft D angeschlossen sowie andererseits an eine zweite stationäre Rohrführung 5, aus der die über die Matrix 1 aufgeheizte Druckluft D¹ einem geeigneten Verbraucher, hier also z.B. der Brennkammer eines nicht weiter dargestellen Gasturbinentriebwerks zugeführt werden kann. Gemäß Fig. 1 sind die beiden voneinander getrennten Rohrführungen 4,5 in ein gemeinsames Sammelrohr 6 integriert. Anstelle der Ausführung eines gemeinsamen Sammelrohrs ist es gemäß den Fig. 3 und 4 durchaus möglich, zwei parallel nebeneinander angeordnete Einzelrohre 7 und 8 vorzusehen. Ferner veranschaulichen die Wärmetauscherkonfigurationen nach den Fig. 1,2,3 und 4, daß die betreffende Wärmetauscher-Matrix 1 jeweils seitlich U-förmig auskragend verlaufen soll, wobei qemäß den Fig. 1 und 3 der betreffende U-förmige Strömungsverlauf für die vorzuwärmende Druckluft durch den Pfeil D verdeutlicht ist.

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-ιοί Gemäß der teilweise aufgeschnittenen Matrix 1 nach Fig. 4 sind daraus zwei U-förmig verlaufende Röhrchen 9 dieser Wärnietauscher-Matrix erkennbar.

Erfindungsgemäß weisen nun die außerhalb des jeweiliqen Wärmetauscher-Matrix-Anschlußbereichs befind!ichen Rohrzonen A₅B (Fig. 2) bzw. C (Fig. 4) eine membranartig gewellte Wandstruktur auf, die in Fig. 1 und 3 durch abwechselnd ausgezogene und gestrichelte wiedergegebene Linienkonturen L₅L¹ verdeutlicht ist, wobei diese gewellte Wandstruktur gemäß L₅L¹ koaxial am betreffenden Rohrumfang angeordnet ist und zwar auch speziell am betreffenden Rohrumfang jeweils vor bzw. hinter der Wärmetauscher-Matrix 1.

Bei den zuvor genannten Wärmetauscherausführungsformen, wie insbesondere auch beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, ist davon auszugehen, daß bei den parallel nebeneinander angeordneten Wärmetauscherhauptrohren 7 und 8 das betreffende Rohr jeweils an einem Ende verschlossen ist;· beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird also über ein erstes Zuleitungsrohr 10 die beispielsweise von einem Verdichter des Gasturbinentriebwerks geförderte Hochdruckluft über einen nachgeschalteten Rohrkrümmer 11 in das erste Hauptrohr 7 gefördert, aus dem die Hochdruckluft dann gemäß Pfeil D die betreffend Wärmetauscher-Matrix 1 durchströmt, hierbei vom Heißgasstrom G des Gasturbinentriebwerks aufgeheizt und sodann dem zweiten Hauptrohr 8 zugeführt wird, aus dem die so vorgewärmte Hochdruckluft dann gemäß Pfeil D¹ über einen weiteren Rohrkrümmer 12 einem Zuleitungsrohr 12' zugeführt wird, über welches die aufgeheizte Druckluft D¹ der Brennkammer des betreffenden Gasturbinentriebwerks zugeleitet werden kann.

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-πι Gemäß Fig. 1 und 3 ist also vom Grundsatz her davon auszugehen* daß das betreffende Sammelrohr 6 bzv/. die Einzelrohre 7 und 8 in den zuvor genannten Zonen,die außerhalb des Wärmetauscher-Matrix-Anschlußbereichs liegen, in Rohrumfangsrichtunq fortlaufend gewellt sind.

Detaillierte Rohrwellunoskonfiqurationen gehen aus den Fig. 8 bis 11 hervor, wobei Fiq. 8 eine Rohrwellung veranschaulicht, die z.B. aus abwechselnd hintereinander in die innere und äußere Rohrwandstruktur eingearbeiteten nutartigen Vertiefungen 14,15 gebildet ist.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 5, 6 und 7 wäre ebenfalls davon auszugehen, daß die Rohrwellung von nutartigen Vertiefungen 14 bzw. 15 erzeugt worden ist, wobei zu den zuletzt genannten Beispielen hervorzuheben wäre, daß dort die betreffenden Vertiefungen 14,15 mit deren jeweiligen Enden in die zugeordneten Matrix-Bereiche des Wärmetauschers übergreifen, um auf diese Weise thermisch verbesserte Obergänge zu schaffen, und zwar hinsichtlich der einerseits hochtemperaturseitig beaufschlagten Bauteile (Matrix bzw. Matrixanschlußbereiche) und andererseits hinsichtlich der mit vergleichsweisen niedrigeren Temperaturen beaufschlagten · Bauteile (Rohr-Wandstruktur außerhalb des Matrix-Bereichs)

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 6 und 7 weichen im übrigen von Fig. 5 dahingehend ab, daß anstelle von Röhrchen für die Wärmetauscher-Matrix lanzettenartige hohle Strömungsprofil körper vorgesehen sind, wie dies in den Fig* 6 und 7 durch die im betreffenden Rohrboden angeordneten lanzettenartigen öffnungen 16 bzw. 17 verdeutlicht ist. Fig. 7 weicht schließlich von Fig. 6

dahingehend ab, daß die lanzettenartiqen Strömunqsprofile 35

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gemäß den zugeordneten öffnungen 17 im Rohrboden schräg zur betreffenden Rohr!änqsachse verlaufend anqeordnet sind.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 ist-die Rohrwellung ebenfalls von Vertiefungen 18 bzw.. 19 gebildet, wobei diese Vertiefungen in gleicher Weise wie die lanzettenartigen Strömunqsprofil e 21 zur betreffenden Rohrlänqsachse 20 geneigt sind. In Fig. 12 ist ferner das zur Wärmetauscher-Matrix 1 gehörige Matrixfeld im oberen Bereich mit 22 und im unteren Bereich mit 23 am betreffenden Hauptrohr 6 bezeichnet.

Der erfindungsgemäße Grundgedanke (Anspruch 1) schließt es im übrigen nicht aus, die betreffende Rohrwellung je nach den herrschenden Temperaturkriterien und vorgesehenen Wärmetauschei—Aufbauweisen so auszubilden, daß die betreffenden Wellenfalten bzw. Vertiefungen zumindest teilweise in Rohr-Längsrichtung verlaufen oder gegebenenfalls - und soweit möglich - spiralförmig in Rohrumfangsrichtung verlaufen.

Fig. 13 veranschaulicht eine weitere Wärmetauschervariante, bei der z.B. in der die aufgeheizte Luft aufnehmenden Rohrleitung 8 zusätzliche Luftführungsbleche 24,25 anqeordnet sind, mit denen die aufqeheizte Luft D¹ zumindest teilweise zunächst an der Rohrinnenwand entlanggeführt wird, bevor sie in den von den Luftführungsblechen 24,25 im

wesentlichen zentrisch umhüllten Rohrinnenraum 26 abströmt. 30

Auf diese Weise kann neben der eingangs ausführlich behandelten Rohrwellunq eine zusätzliche Vergleichsmäßiqunq des Temperaturprofils insbesondere im Bereich des Überganges von der heißgasbeaufschlagten Matrix zu den Rohr-

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1 wandbereichen außerhalb des Matrixanschlußbereichs, und damit eine weiter optimierte Einsatzfähigkeit derartiger Wärmetauscher erzielt werden.

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Claims (7)

sr/si MTU MOTOREN-UND TURBINEN-UNION MÖNCHEN GMBH München, den 27.10.1981 Patentansprüche

1. Wärmetauscher zur Führung von Gasen stark unterschiedlicher Temperaturen, dessen im Heißgasstrom liegende Kreuz-Gegenstrom-Matrix aus separaten Röhrchen oder lanzettenartigen, hohlen Strömungsprofilen besteht, die einerseits an eine erste stationäre Rohrführung zur Druckluftzufuhr in die betreffenden Matrix-Kanäle und andererseits an eine zweite stationäre Rohrführung angeschlossen sind, aus der die über die Matrix aufgeheizte Druckluft einem Verbraucher zugeführt wird, wobei die beiden getrennten Rohrführungen entweder in ein gemeinsames Sammelrohr integriert oder von im wesentlichen parallel nebeneinander angeordneten Einzelrohren gebildet sind, wobei die Wärmetauschermatrix bzw. deren betreffende Druckluftkanalführungen (Röhrchen, Hohlprofile) gegenüber der bzw. den betreffenden Rohrlängsachsen seitlieh U-förmig auskragend verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr (6) bzw. die Einzelrohre (7,8) in den außerhalb des Wärmetauschermatrixanschlußbereichs befindlichen Zonen eine membranartig gewellte Wandstruktur aufweisen.

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2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr (8) bzw. die Einzelrohre (7,8) in den betreffenden Zonen in Rohrumfangsrichtung fortlaufend gewellt sind. .5

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwellung durch abwechselnd hintereinander in die innere und in die äußere Rohrwandstruktur eingearbeitete nutartige Vertiefungen (14,15) gebildet ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Rohrwellung bzw. die hierfür vorgesehenen Vertiefungen (18,19) zumindest teilweise schräg zu der (20) bzw. den betreffenden Rohrlängsachsen verläuft, und zwar gemäß der Schräglage der aus Röhrchen oder Hohlprofilen (21) gebildeten, parallelogrammförmigen Matrixfelder (22,23) oder

- querschnitte.
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5. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellung zumindest teilweise in den das Matrixfeld enthaltenden Rohrwandbereich übergreift.

'6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellung spiralförmig am betreffenden Rohrumfang verläuft.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sammelrohr bzw. die Einzelrohre in den betreffenden Zonen zumindest teilweise mit in Rohrlängsrichtung verlaufenden Wellungen bzw. Faltungen versehen ist.

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8_# Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise in der die aufgeheizte Luft aufnehmenden Rohrführung bzw. Rohrleitung (8) zusätzliche Luftführungsbleche (24,25) angeordnet sind, mit denen die aufgeheizte Luft zumindest teilweise zunächst an der Rohrinnenwand entlanggeführt wird, bevor sie in den von den Luftführungsblechen (24,25) im wesentlichen zentrisch umhüllten Rohrinnenraum (26) abströmt. 10

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