[0001] Bei einem aus der GB-A 2 130 355 bekannten Profilrohr-Wärmetausch der Kreuz-Gegenstrom-Bauweise,
bestehend aus einem Kollektiv von Rohrbügeln, die ein geordnetes Matrixfeld bilden,
lassen sich im Hinblick auf die Durchströmung zwei Matrix-Bereiche unterscheiden:
Der Bereich der im wesentlichen geradlinigen Schenkel, der den eigentlichen und regulär
durchströmten Bereich des Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschers darstellt, und außerdem
der bei dieser Bauweise aus konstruktiven Gründen notwendige Bogenbereich, in dem
die dem gekrümmten Verlauf der Rohrbögen folgenden Profilrohre von dem außen geradlinig,
quer strömenden Fluid (Heißgas) in örtlich unterschiedlicher Richtung umströmt werden.
[0002] Die gegenseitige Stellung der Profilrohre im Strömungsfeld der Wärmetauschermatrix
wird durch die Erfordernisse der Querströmung im Schenkelbereich der Rohrbügel bestimmt.
Diese Zuordnung bleibt auch im Verlaufe der gekrümmten Rohrführung im Bogenbereich
erhalten. Da das Außenmedium (Heißgas) jedoch auch hier im wesentlichen der Richtung
der Querströmung, wie sie im Schenkelbereich vorherrscht, folgt, trifft es dabei örtlich
auf Strömungsquerschnitte, die erheblich von denen des Schenkelbereiches abweichen.
[0003] Besonders deutlich wird das beim Vergleich der effektiv offenen Strömungsquerschnitte
des regulär durchströmten Schenkelbereiches mit denen im Zenit der Rohrbögen, in dem
das Rohrfeld demgegenüber um 90
° gedreht zur Außen- bzw. Heißgasströmung verläuft.
[0004] Demzufolge ergibt sich der Nachteil, daß das Heißgas bevorzugt durch den Bogenbereich
strömt, wodurch eine unerwünschte Verschiebung der Massenstromverteilung zu Gunsten
dieses Bereiches erfolgt.
[0005] Die Gründe für diesen Nachteil lassen sich im Detail weiter wie folgt beschreiben:
- Zerlegt man die Querströmung des außen strömenden Heißgases gedanklich in Stromröhren
gleichen Querschnitts, so treffen Stromröhren des Bogenbereiches auf effektiv offene
Querschnitte, die größer sind als diejenigen im regulär durchströmten Bereich, der
durch die geradlinig verlaufenden Matrixstränge charakterisiert ist.
- Im äußeren Gebiet des Bogenbereiches der Matrix ist der Weg der Strömung kürzer
(ca. der Länge der Sehne des jeweiligen Bogenabschnittes entsprechend) und daher der
Strömungswiderstand geringer.
- Im Bogenbereich sind die hydraulischen Durchmesser der Heißgaspassagen größer und
deshalb die Strömungswiderstände vergleichsweise geringer.
- Der Charakter der Wandströmung des Heißgases entlang der Profilrohre ist im Bogenbereich
- gegenüber dem regulär durchströmten Bereich - anders, da die Lauflänge der Grenzschicht
längs der Profilrohre länger ist. Demgegenüber werden im regulär durchströmten Bereich
die Grenzschichten beim Wechsel vom einen umströmten Profil zum in Richtung der Querströmung
nachgeordneten weiteren Profil ständig neu aufgebaut.
[0006] Ein weiterer wesentlicher Nachteil vorstehend behandelter bekannter Wärmetauscherkonzepte
ist es, daß über verhältnismäßig weite Teile des Matrixbogenbereiches kein exakt definierbarer
Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozeß realisierbar ist.
[0007] Bei einem aus der FR-A 52 074 bekannten, für Warm-Wasser-Aufbereitung vorgesehenen
Wärmetauscher in Kreuz-Gegenstrom-Bauweise ist eine zeitlich von Sammelrohren U-förmig
ins Feuerungsabgas hineinragende Rohrmatrix vorgesehen, deren Rohre in einem im wesentlichen
geradschenkeligen Bereich in gleichförmigen verhältnismäßig großen gegenseitigen Abständen
und im bogenförmig mittigen Umlenkbereich in verhältnismäßig geringen gleichförmigen
gegenseitigen Abständen angeordnet sind. Dieser bekannte Fall sieht ferner als Rohrhalter
in räumlich gestaffelt versetzter Anordnung an der Matrix ausgebildete aerodynamische
"Schikanen" vor, die in Kombination mit an der Innenseite und an der Außenseite einen
Teil des äußeren Matrixbogens umfassenden Abdeckungen eine vorgegebene Zwangsführung
von Verbrennungsgas hervorrufen sollen; mithin soll im bekannten Fall eine örtliche
Steigerung der Heißgasverweilzeiten erreicht werden, was sich letztlich in einem indifferenten
"schlangenlinienförmigen" Heißgasströmungsverlauf an der Matrix äußert; es hat dort
also eine ausgeprägtere Richtung der Strömung zum Bogenbereich hin die Vernachlässigung
einer "regulären" Strömung an den geradschenkeligen Rohrsträngen der Matrix zur Folge.
Die Erzielung einer im Sinne einer Hauptströmungsrichtung quer durchströmbaren Matrix
mit gleichförmiger Verteilung der Heißgase auf die Gesamtmatrix unter gleichzeitiger
Optimierung des Wärmeaustauschprozesses im Hinblick auf den aerodynamisch "kritischen"
Bogenbereich ist aus dem bekannten Fall nicht herleitbar.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 anzugeben, der insbesondere im Hinblick auf die Ausbildung des
bogenförmigen Matrixumlenkbereiches einen vergleichsweise hohen Wärmeaustauschgrad
ermöglicht.
[0009] Die gestellte Aufgabe ist durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs
1 erfindungsgemäß gelöst.
[0010] Mit der angegebenen Lösung kann also die eingangs zu Bekanntem erwähnte ungleichförmige
Heißgas-Massenstromverteilung zwischen den geradschenkeligen Sektionen und dem bogenförmigen
Umlenkbereich der Matrix besonders ausgeprägt vergleichmäßigt werden.
[0011] Das quer durch die Matrix strömende Heißgas findet so, insbesondere im Zenit des
Bogenbereiches, an diesen Stellen vergleichsweise geringe Durchströmquerschnitte vor
und wird deshalb veranlaßt, mehr in die tiefer.liegenden Gebiete des Bogenbereiches
- also in Richtung auf die Bügel mit den kleineren Biegeradien - auszuweichen. Damit
erfolgt die Durchströmung des Bogenbereiches nicht mehr allein längs der Sehnen der
Kreisbögen, sondern es entsteht vorzugsweise an den äußeren Bögen mit größerem Radius
- eine starke Querströmungskomponente. Das in diesem Falle besonders stark verdichtete
Gebiet im Zenit der betreffenden Rohrbögen, außen, stellt damit den Kern einer nur
schwach durchströmten Zone dar.
[0012] Diese schwach durchströmte Zone kann - vom äußersten Bogenrand der Profilrohre ausgehend
- die natürliche Profilrohrkrümmung etwa pilzförmig entgegengerichtet gekrümmt überschneiden.
Bezüglich des bogenförmigen Matrixumlenkbereiches umströmt also die Hauptmasse der
heißgase die pilzförmige Zone und fördert somit eine zusätzliche Heißgasquerumströmung
der Profilrohre zu Gunsten eines insbesondere auch im äußeren Bogenbereich möglichen
Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozesses.
[0013] Eine weitere vorteilhafte Folge der angegeben Anordnung ist es, daß eine gehäuseseitige
Abdeckung oder eine Berandungsleitwand auf ein verhältnismäßig schmales Gebiet im
Zenit des bogenförmigen Matrixumlenkbereiches, bzw. der betreffenden Matrixrohrbögen,
beschränkt werden kann.
[0014] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Patentansprüchen 2 bis 8
hervor.
[0015] Anhand der Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise weiter erläutert; es zeigen:
Fig. 1 ein dem Stand der Technik entnehmbares und der vorliegenden Erfindung als Ausgangsbasis
dienendes Wärmetauscherkonzept in perspektivischer, schematischer sowie teilweise
aufgeschnittener Darstellung,
Fig. 2 die zur Hälfte sowie matrixseitig teilweise durchbrochen dargestellte Frontansicht
des Wärmetauschers nach Fig. 1,
Fig. 3 einen gemäß III-III der Fig. 2 gesehenen Teilschnitt geradschenkeliger Abschnitte
der Rohrbügel, worin deren reguläre Staffelung verdeutlicht ist,
Fig. 4 einen gemäß IV-IV gesehenen Teilschnitt im bogenförmigen Umlenkbereich liegender
Abschnitte der Rohrbügel, nach Fig. 2,
Fig. 5 die Frontansicht einer kompletten rechten Wärmetauscherhälfte in Rohrbügeldetailausbildung
und -anordnung für eine erste Ausführungsform der Erfindung mit entlang der Bogenmeridianebene
des Umlenkbereiches der Matrix - von innen nach außen gesehen - sich zunehmend verringernder
Rohrbügelbeabstandung,
Fig. 6 einen gemäß Schnitt VII-VII der Fig. 5 gesehenen Ausschnitt des bogenförmigen
Umlenkbereiches der Matrix, in der Bogenmeridianebene verlaufend,
Fig. 7 die Frontansicht einer kompletten rechten Wärmetauscherhälfte in Rohrbügeldetailausbildung
und -anordnung für eine zweite Ausführungsform der Erfindung, unter Einschluß im bogenförmigen
Matrixumlenkbereich überwiegend elliptisch gekrümmter Rohrabschnitte und sich dabei
- von innen nach außen gesehen - fortlaufend gegenseitig sich verringernden Profilrohrabständen,
Fig. 8 einen gemäß Schnitt IX-IX der Fig. 7 gesehenen Ausschnitt des bogenförmigen
Umlenkbereiches der Matrix, in der Bogenmeridianebene der Matrix verlaufend,
Fig. 9 einen der Schnittdarstellung nach Fig. 4 entsprechenden Matrixbogenteilausschnitt,
unter Verdeutlichung einer gegenseitigen Rohrbügelabstützung durch gegenseitig profilseitig
eingebrachte Ausbauchungen und
Fig. 10 ein für die Ausbauchungsherstellung geeignetes, schematisch dargestelltes
Formwerkzeug.
[0016] Die Erfindung geht von einem Wärmetauscher nach Fig. 1 aus, der aus zwei im wesentlichen
parallel nebeneinander angeordneten Druckluftführungen 1, 2 besteht, die hier z.B.
als separate Verteiler- bzw. Sammelrohre ausgebildet sind. Gemäß abgedunkelter Kontur
sind die Druckluftführungen 1, 2 am jeweils hinteren Ende verschlossen ausgebildet.
Die zeitlich von beiden Druckluftführungen 1, 2 quer gegen die Heißgasströmung H auskragende,
aus räumlich ineinander verschachtelten U-förmigen, profilrohrartigen Rohrbügeln zusammengesetzte
Matrix 3 besteht aus zunächst geradschenkelig parallel zueinander verlaufenden Matrixsträngen
4, 5, die in einen gemeinsamen bogenförmigen Umlenkbereich 6 übergehen. Im Betrieb
wird aufzuheizende Druckluft in die obere Druckluftführung 1 eingespeist (D
1), durchströmt dann die geradschenkeligen Matrixstränge 4 (D
2), worauf sie über den Umlenkbereich 6 umgelenkt wird (D
3) und dann in umgekehrter Strömungsrichtung die geradschenkeligen Matrixsträngen 5
durchströmt (D
4), aus denen sie über die untere Druckluftführung 2 in aufgeheiztem Zustand abströmt
(Ds), um einem geeigneten Verbraucher, z.B. der Brennkammer eines Gasturbinentriebwerkes,
zugeführt zu werden.
[0017] Abweichend von Fig. 1 wäre die Erfindung auch bei einem Wärmetauscher praktikabel,
bei dem die zuvor genannten Druckluftführungen in ein gemeinsames Sammelrohr oder
Verteilerrohr integriert sind, von dem die Matrix beidseitig U-förmig auskragt.
[0018] Unter Hinweis auf Fig. 1, 2, 3 und 4 sind die Rohrbügel im bogenförmigen Umlenkbereich
6 der Matrix 3 in geringerem gegenseitigen Abstand angerodnet (Fig. 4) als in den
geradschenkelig verlaufenden Matrixsträngen, z.B. 4, Fig. 2 und 3.
[0019] Es ergibt sich dabei gemäß Fig. 2 eine Anordnung, bei der die Rohrbügel bezüglich
der geradschenkeligen Rohrabschnitte 4
1, 4
2 bis 4
10 bzw. 5
1, 5
2 bis 5
10 sowie bezüglich der den bogenförmigen Umlenkbereich 6 definierenden Rohrabschnitte
6
1, 6
2 bis 6
1o jeweils in einer gemeinsamen Ebene übereinander gestaffelt angeordnet sind; diese
Ebene kann im allgemeinen als eine quer zu den Rohrführungen 1, 2 (bzw. Sammel- und
Verteilerrohren) verlaufende, also als "Querebene" definiert werden. In einer gemeinsamen
Bogenmeridianebene des Umlenkbereiches 6, also in einer Ebene, die dem Schnitt IV-IV
(Fig. 2) folgt, sind die Rohrabschnitte 6
1, 6
2 bis 6
10 in geringeren gegenseitigen Abständen übereinander gestaffelt angeordnet als die
Rohrabschnitte 4
1, 4
2 bis 4
10 bzw. 5
1, 5
2 bis 5
1o in den geradschenkelig verlaufenden Matrixsträngen 4, 5. Gemäß Fig. 2 ist ferner
erkennbar, daß die Rohrbügel bezüglich der im bogenförmigen Umlenkbereich 6 enthaltenen
Rohrabschnitte 6
1, 6
2 bis 6
10 über- bzw. nebeneinander angeordnet sind.
[0020] Genau genommen, besteht gemäß Fig. 2 der bogenförmige Umlenkbereich 6 aus halbkreisförmig
gekrümmten, von außen nach innen fortlaufend mit 6
1, 6
2 bis 6
10 bezifferten Rohrabschnitten; dabei sind die den letzteren jeweils zugeordneten Kreismittelpunkte
K
1, K
2 bis K
10 bezeichnet und entsprechend der Rohrbeabstandung im Bogenbereich sowie mit Rücksicht
auf eine von außen nach innen abnehmende Bogenradiusverriegelung - jeweils pro Querebene
- auf einer gemeinsamen Geraden S fortlaufend nach außen verschoben. Nach Fig. 2 sind
also die Kreismittelpunkte Ki, K
2 usw. bis Kio in fortlaufend gleichen Abständen auf der Geraden G angeordnet.
[0021] Aus Fig. 2 ist also erkennbar, daß die gekrümmten Rohrabschnitte 6
1, 6
2 usw. bis 6
1o geometrisch kontinuierlich fluchtend in die zugehörigen geradschenkeligen Rohrabschnitte
4
1, 4
2 bis 4
10 bzw. 5
1, 5
2, bis 5
10 übergehen; ferner ist aus Fig. 2 ein bezüglich der geradschenkeligen Profilrohrsektionen
(4
1 usw. bzw. 5
1 usw.) - von außen nach innen - zunehmender Profilrohrlängengewinn erkennbar, der
sich aus der erwähnten fortlaufenden Kreismittelpunktsverschiebung ergibt; mithin
liegen in Fig. 2 gleichförmig schräg verlaufende Rohrbasen R, R
' vor, die unter jeweils gleichen Neigungswinkeln γ, β gegenüber einer Senkrechten
S angestellt sind, die den auf der Geraden G liegenden Kreismittelpunkt K
1 schneidet und ferner durch die gemeinsamen Schnittpunke 8
1, S
2 der Rohrbasen R, R' mit dem mittleren Kreisbogen M des am weitesten außen liegenden
Rohrbogenabschnitts 6
1 hindurchgeht.
[0022] Gemäß Fig. 3 und 4 greifen die Rohrabschnitte 4
1, 4
2, 4
1', 4
1", 4
2", der geradschenkeligen Matrixstränge, z.B. 4, und die mit diesem verbundenen zugehörigen
Rohrabschnitte 6
1, 6
2, 6
1'; 6
1", 6
2", des Umlenkbereiches 6 jeweils räumlich verschachtelt ineinander: Unter Zugrundelegung
einer jeweils gleichen seitlichen Profilrohrbeabstandung ergibt sich gegenüber Fig.
3 (Durchströmfläche F1) die in Fig. 4 verringerte Heißgasdurchströmfläche F
2. Mit anderen Worten verkörpert Fig. 3 die reguläre und Fig. 4 die sich dabei ergebende
engere Profilrohrstaffelung mit entlang der Bogenmeridianebene (Schnitt IV-IV-Fig.
2) gleichförmigem gegenseitigen Rohrabstand im Umlenkbereich 6.
[0023] Unter Anwendung der gleichen Bezugszeichen gemäß Fig. 1 und 2 verkörpert Fig. 5 eine
erste Ausführungsform der Erfindung mit den daraus resultierenden Auswirkungen auf
die Heißgasströmung. Hierzu sei kurz auf die eingangs bereits erwähnten nachteilhaften
Kriterien bekannter Wärmetauscherkonzepte im Wege der Nomenklatur nach Fig. 1 eingegangen.
[0024] Reguläre optimale Heißgasdurchströmverhältnisse können hierbei lediglich bezüglich
der blockartig, geradlinig quer gegen die Heißgasströmung H auskragenden Matrixprofilrohrreihen
4, 5 (Fig. 1) zugrunde gelegt werden. In diesen örtlichen Matrixbereichen sind die
einzelnen Profilrohre (U-förmige Rohrbügel) unter Gewährleistung einer vorgegebenen
einwandfreien gleichförmigen Heißgasversperrung sowie Heißgasdrosselung gleichförmig
verschachtelt zueinander angeordnet; die Profilrohrreihen sind also im Rahmen eines
einwandfreien Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozesses vom Heißgasstrom H umströmbar.
[0025] Infolge der eingangs zu Bekanntem beschriebenen Profilrohranordnung im bogenförmigen
Umlenkbereich 6 der Matrix 3 ist dort die Heißgasdrosselung verhältnismäßig gering,
es ergibt sich ein Ungleichgewicht hinsichtlich der Heißgas-Massenstromdichte zwischen
dem Umlenkbereich 6 und den geradschenkelig verlaufenden Profilrohrreihen 4, 5; der
Wärmetauschprozeß Heißgas/Druckluft ist im Umlenkbereich 6 verhältnismäßig ungünstig.
Im Bestreben, die Heißgasströmung, zumindest dem Bogenverlauf folgend, an den Profilen
entlangströmen zu lassen, wird eine verhältnismäßig lange bogenseitige Berandung erforderlich.
[0026] Ferner können die aus dem bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix 3 (Fig. 1) mit
verhältnismäßig großer Strömungsgeschwindigkeit abfließenden Heißgasanteile die Heißgasabströmung
aus der übrigen Matrix mit den überwiegend geradschenkeligem Matrixsträngen beeinträchtigen
(Mischturbulenzen).
[0027] Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung hierzu ergibt sich aus den Fig. 5
und 6, wonach die zu den Rohrbügeln gehörenden, den bogenförmigen Umlenkbereich 6
der Matrix definierenden Rohrabschnitte 6
1, 6
2 usw. bis 6
1o in der durch den bogenmeridianen Schnitt VII-VII der Fig. 5 in Fig. 6 wiedergegebenen
Weise, in Richtung vom innersten Profilrohrbügel mit dem kleinsten Krümmungsbogen
(Rohrabschnitt 6
10) auf einen äußersten Profilrohrbügel mit dem größten Krümmungsbogen (Profilrohrabschnitt
6
1), in sich fortlaufend verringerndem gegenseitigen Abständen in jeweils parallel zueinander
verlaufenden Ebenen übereinander liegen. Dabei sind die jeweils einem Profilrohrfeld
gemäß Fig. 6 zugehörigen Kreismittelpunkte - in Zuordnung zu den bogenförmigen Rohrabschnitten
6
1, 6
2 und 6
10 mit K
1, K
2 bis K
10 auf der Geraden G aufgetragen. Im Gegensatz zu Fig. 2 sind in Fig. 5 die Rohrbasen
R, R' entsprechend der zunehmenden Mittelpunktsverdichtung (K
1 nach K
io) leicht kontinuierlich bogenförmig verlaufend sowie etwa im Sinne von Fig. 2 schräg
zur Senkrechten S angestellt.
[0028] Es ist Fig. 5 und 6 eine Ausgestaltung des Grundgedankens der Erfindung (Anspruch
1), wonach im bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix 3 die weiter außen liegenden,
mit vergleichsweise großen Biegeradien ausgestatteten Rohrabschnitte 6
1, 6
2 bzw. 6
1", 62", der Rohrbügel stärker ineinander verschachtelt, und damit in geringerem gegenseitigen
Abstand angeordnet sind als die mit den vergleichsweise kleinen Biegeradien ausgestatteten
inneren Rohrabschnitt 6
9, 6
10 bzw. 6
9", 6
10" (Fig. 6).
[0029] Gemäß der bogenmeridianen Schnittdarstellung des verschachtelt ineinandergreifenden
Profilrohrfeldes nach Fig. 6 verkörpern z.B. die schwarz aufscheinenden Heißgasdurchströmflächen
H
f1 (innerer Teil des Umlenkbereichs 6) sowie H
f2 (äußerer Teil des Umlenkbereichs 6) die von innen nach außen sich kontinuierlich
fortsetzende Heißgasdurchströmflächenverringerung.
[0030] Im Rahmen des durch die Fig. 5 und 6 verkörperten Erfindungsgegenstandes kann eine
im wesentlichen zentrisch die Profilrohrkrümmung im Bogenbereich entgegengerichtet
gekrümmt überschneidende, hier durch Überkreuz-Schraffur verdeutlichte schwach vom
Heißgas durchströmte Zone 7 ausgebildet werden. Im Gegensatz zum beschriebenen Stand
der Technik kann also gemäß Fig. 5 auch der wesentlichste Teil des bogenförmigen Matrixumlenkbereiches
6 gemäß Pfeilfolge Hi, H
2, H
3 vom Heißgas 30 durchströmt werden, daß ein Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauschprozeß möglich
ist, und zwar dies als Folge der örtlichen gegenseitigen Heißgasdurchström-Querschnittsverringerung
(Fig. 6), die wiederum die schwach durchströmte Zone 7 und damit den bogenseitig nach
innen ausgebeulten Heißgasströmungsverlauf H
1, H
2, H
3 nach sich zieht. Zugleich kann das eingangs zu Bekanntem erwähnte Ungleichgewicht
der Massenstromdichte zwischen dem bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix 3 und
geradschenkeligen Matrixsträngen 4, 5 (Profilrohrabschnitte 4
1, 4
2 bis 4
10 bzw. 5
1, 5
2 bis 5
10) im wesentlichen beseitigt und eine ungestöre, homogene Durchströmung der gesamten
Matrix 3 bei gleichzeitig ferner im wesentlichen gleichen Abströmgeschwindigkeiten
sämtlicher Heißgasanteile aus der Matrix 3 erzielt werden (Heißgasflußfolge H
1, H
2, Hs, H
4, H
5).
[0031] Gemäß Fig. 5 kann eine z.B. als mittelbarer oder unmittelbarer Bestandteil eines
die Heißgase führenden Gehäuses ausgebildete Berandung 8 entlang der äußeren Rohrbögen
6
1 der Matrix 3 verhältnismäßig kurz, d.h. im Bogensinne verlaufend kurz, ausgeführt
werden, während z.B. das Gehäuse 10 parallel zur Heißgashauptströmungsrichtung H verlaufen
kann.
[0032] Wie beispielsweise in Fig. 5 durch schematische Zuordnung gestrichelt repräsentiert,
kann die im Bogensinne verhältnismäßig kurz ausführbare bzw. von geringer lichter
Breite ausgeführte Berandung 8 über eine stützkraftübertragende Bauteilhalterung 9
beweglich am benachbarten Wärmetauschergehäuse 10 aufgehängt ist; dabei können besondere
Heißgasabsperrdichtungen zwischen Berandung 8 und Gehäuse 10 vorgesehen sein, die
mittelbar oder unmittelbar bewegungskompensatorisch mit der Bauteilhalterung 9 zusammenwirken
können. Im übrigen kann die Bauteilhalterung 9 selbst die notwendige Heißgasabsperrung
zwischen Berandung 8 und Gehäuse 10 bewirken.
[0033] Abweichend von Fig. 5 kann auch eine längs geteilte, aus zwei Schalenelemente bestehenden
Bogenberandung vorgesehen sein, die sich mittels bewegungskompensatorischer Bauteilhalterungsmittel
am Wärmetauschergehäuse abstützen kann.
[0034] In nicht weiter dargestellter Weise wäre die Erfindung auch dann realisierbar, wenn
die Rohrbügel in der gemeinsamen Bogenmeridianebene des Matrixumlenkbereichs, in Richtung
vom jeweils innersten Profilrohrbügel mit dem kleinsten Krümmungsbogen, zunächst in
einem fortlaufend verhältnismäßig großen und dann in einem verhältnismäßig kleinen
gleichmäßigen gegenseitigen Abstand in jeweils parallel zueinander verlaufenden Ebenen
übereinanderliegen.
[0035] Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 und 8 wird z.B. der jeweils am weitesten innen
liegende gekrümmte Rohrabschnitt 6
10 kreisförmig ausgebildet, während die hierauf folgenden Rohrabschnitte 6
9, 6
8 bis 6
1 elliptisch gekrümmt sind, wobei sämtlichen Rohrabschnitten 6
1o bis 6
1 auf den betreffend zugehörigen Geraden G ein gleicher Mittelpunkt M zugeordnet ist.
In Fig. 7 und 8 wird also die jeweils große Achse (A) der elliptisch gekrümmten Rohrabschnitte
durch die gleichmäßige Profilbeabstandung in den geradschenkeligen Matrixsträngen
4, 5 (Rohrabschnitte 4
1, 4
2 bis 4
10 bzw. 5
1, 5
2 bis 5
10) vorgegeben und deren jeweils kleine Achse (B) durch die gewählte (Profil-) Rohrbügelbeabstandung
in der Bogenmeridianebene (Schnitt IX-IX); dabei ist in Fig. 7 und 8 also eine im
bogenförmigen Matrixumlenkbereich 6 von innen nach außen hin sich fortlaufend verringernde
gegenseitige Rohrbügelbeabstandung vorgesehen, was gemäß Fig. 8 - ähnlich Fig. 6 zu
der örtlichen, von außen nach innen gesehen, sich stetig fortsetzenden Heißdurchströmflächenverringerung
führt und auch hier wiederum symbolisch durch innere, verhältnismäßig große (H
fi) und eine äußere, verhältnismäßig kleine Heißgasdurchströmfläche H
f2 verdeutlicht ist.
[0036] Aufgrund der in Fig. 7 und 8 angegebenen Bauweise kann gegenüber den Ausführungsformen
nach Fig. 2 bis 6 - bei äquivalenter Matrixbaulänge und -breite - das den Umlenkbereich
6 der Matrix 3 ausbildende Matrixvolumen (Rohrabschnitte 6
1 bis 6
10) verringert werden bei zugleich insgesamt vergrößerter Baulänge der geradschenkeligen
Matrixstränge 4, 5 mit den Rohrabschnitten 4
1 bis 4
10 bzw. 5
1 bis 5
10.
[0037] Für Fig. 7 und 8 kann eine mit Fig. 5 etwa vergleichbare Heißgasdurchströmung zugrunde
gelegt werden in Verbindung mit einer vom äußeren Bogenrand aus etwa pilzförmig gegen
die vorhandene Profilrohrkrümmung nach innen sich auskrümmenden schwach durchströmten
Zone.
[0038] Gemäß Fig. 2, 5 und 7 kann die Bogenmeridianebene bzw. deren Verlängerung in sich
mittig sowie parallel zwischen den beiden geradschenkeligen Matrixsträngen 4, 5 (Fig.
1) erstrecken, wobei die die Kreismittelpunkte K
1, K
2, K
6 enthaltenden Geraden G (Fig. 2 und 5) oder die einen oder kleinen Achsen B (Fig.
7), welche den elliptisch gekrümmten bzw. halbelliptischen Profilrohrabschnitten 6
1 bis 6
10 zugehörig sind, in dieser Ebene liegen.
[0039] Wie ferner aus den Fig. 3, 4, 6 und 8 entnehmbar, weisen die Rohrbügel einen jeweils
gleichförmigen, länglich ovalen Profilrohrquerschnitt auf.
[0040] Die erfindungsgemäße engere Staffelung des Profilrohrfeldes im Zenit des Bogenbereiches
erlaubt in vorteilhafter Weise auch die Lösung des mechanischen Problems, im Betrieb
des Wärmetauschers die vorgegebenen Abstände zwischen den Profilrohren einzuhalten.
Ohne besondere diesbezügliche Maßnahmen können die Bogenbereiche der Rohrbügel in
Querrichtung leicht aus ihrer Normallage ausgelenkt werden, denn eine solche elastische
Bewegung bewirkt Biegung des Profilrohres um die Achse seines geringsten Biegewiderstandsmomentes.
Die aus dieser Bewegung heraus möglichen Querschwingungen der Rohrbügel können die
Außenströmung und deren Wärmeaustausch empfindlich stören und sollen daher vermieden
werden. Dazu ist es erforderlich, die Profilrohre auch im Bogenbereich aneinander
abzustützen. Diese Abstützung darf das Grundprinzip dieser Wärmetauscherbauart nicht
verletzen, nach dem sich jeder individuelle Rohrbügel ohne Zwang frei in der Länge
ausdehnen können soll. Andererseits sollte eine Abstützung in diesem Bereich die Querschnitte
für die längsgerichtete Durchströmung nicht versperren.
[0041] Zur Erfüllung dieser Forderungen wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen,
daß die den bogenförmigen Umlenkbereich 6 der Matrix 3 ausbildenden Rohrabschnitte
6
1, 6
2; 6
1", 6
2 (Fig. 10) im Bereich bzw. in der Bogenmeridianebene mittels profilendseitig eingebrachter
Ausbauchungen 10 gegeneinander abgestützt sind; dazu können die den bogenförmigen
Umlenkbereich ausbildenden Rohrabschnitte, z.B. örtlich, im Zenit des Bogens, über
ihre Spitzen in Richtung ihrer größeren Achse gestaucht werden, und zwar in dem Maße,
daß die Flanken in kontrollierter Weise zeitlich nach außen ausbeulen (Ausbauchungen
10). Dieser Vorgang wird mit Hilfe von Spezialwerkzeugen ausgeführt, so daß die Form
des gestauchten Profilabschnittes präzise und wiederholbar erzeugt wird. Die Werkzeuge
11, 12 können wie in Fig. 11 gezeigt gestaltet sein.
[0042] Beim Zusammenfügen der solcherart behandelten Profilrohrbügel zu der jeweiligen Bogenkonfiguration
entsteht in diesem Bereich eine Packung, wie in Fig. 10 dargestellt. Damit werden
die genannten Bedingungen für die gegenseitige Abstützung der Profilrohrbügel erfüllt.
Bei Bedarf können die Berührungsstellen der Profiloberflächen mit einer Verschleißschutzschicht
versehen werden.
1. Wärmetauscher, der aus einer quer gegen eine Heißgasströmung (H) auskragenden,
aus räumlich ineinander verschachtelten U-förmigen Rohrbügeln (41, 61; 42, 62; 410, 610) zusammengesetzten Matrix (3) besteht, die über zwei geradschenkelige, in einen
bogenförmigen Umlenkbereich (6) auslaufende Matrixstränge (4, 5') an zwei im wesentlichen
parallel nebeneinander und quer zur Matrix angeordnete Druckluft-Rohrführungen (1,
2) angeschlossen ist, wobei eine Kreuz-Gegenstrom-Führung der Medien entsteht und
bei dem die Rohrbügel im bogenförmigen Umlenkbereich der Matrix in geringerem gegenseitigen
Abstand angeordnet sind als in den geradschenkelig verlaufenden Matrixsträngen (4,
5), in denen die zugehörigen Rohrabschnitte (41, 410; 51, 510) in gleichförmigem gegenseitigen Abstand angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß im bogenförmigen Umlenkbereich (6) der Matrix (3) die weiter außen liegenden,
mit vergleichsweise großen Biegeradien ausgestatteten Rohrabschnitte (61, 62, 63) der Rohrbügel stärker in einander verschachtelt, und damit in geringerem gegenseitigen
Abstand angeordnet sind als die mit den vergleichsweise kleinen Biegeradien ausgestatteten
inneren Rohrabschnitte (68, 69, 610).
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbügel in der
gemeinsamen Bogenmeridianebene des Umlenkbereichs (6), in Richtung vom innersten Profilrohrabschnitt
(610) mit dem kleinsten Krümmungsbogen auf den äußersten Rohrabschnitt (61) mit dem größtem Krümmungsbogen, in sich fortlaufend verringerndem gegenseitigen
Abstand in jeweils parallel zueinander verlaufenden Ebenen übereinanderliegen.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrbügel in der
gemeinsamen Bogenmeridianebene des Umlenkbereichs, in Richtung vom innersten Profilrohrabschnitt
mit dem kleinsten Krümmungsbogen auf den äußersten Profilrohrabschnitt mit dem größten
Krümmungsbogen, zunächst in einem fortlaufend verhältnismäßig großen und dann in einem
verhältnismäßig kleinen gleichmäßigen gegenseitigen Abstand in jeweils parallel zueinander
verlaufenden Ebenen übereinanderliegen.
4. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der bogenförmige Matrixumlenkbereich (6) aus halbkreisförmig gekrümmten Rohrabschnitten
(61, 62, 610) besteht, deren Kreismittelpunkte (Ki, K2, Kio) entsprechend der unterschiedlichen gegenseitigen Rohrbeabstandung sowie, mit Rücksicht
auf die dabei von außen nach innen abnehmende Bogenradiusverringerung, jeweils auf
einer gemeinsamen Geraden (G) fortlaufend nach außen verschoben sind.
5. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der bogenförmige Matrixumlenkbereich aus kreisförmig und/oder elliptisch gekrümmten
Rohrabschnitten (61, 6e, 6g, 610) mit jeweils gleichem Mittelpunkt (M) besteht, deren jeweils eine oder große Achse
(A) durch die gleichförmige gegenseitige Rohrbügelbeabstandung in der geradschenkeligen
Matrixsträngen (4, 5) vorgegeben ist und deren jeweils andere oder kleine Achse (B)
durch die unterschiedliche gegenseitige Rohrbügelbeabstandung in der Bogenmeridianebene
vorgegeben ist.
6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bogenmeridianebene bzw. deren Verlängerung sich mittig sowie parallel zwischen
den beiden geradschenkeligen Matrixsträngen (4, 5) erstreckt, wobei die die Kreismittelpunkte
(K1, K2, Kio) enthaltenden Geraden (G) oder die einen oder kleinen Achsen (B), welche den elliptisch
gekrümmten bzw. halbelliptischen Profilrohrabschnitten (61, 68, 69, 610) zugehörig sind, auf der verlängerten Bogenmeridianebene liegen.
7. Wärmetauscher nach einer oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohrbügel einen jeweils gleichförmigen, länglich ovalen Profilrohrquerschnitt
aufweisen.
8. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die den bogenförmigen Umlenkbereich (6) der Matrix (3) ausbildenden Rohrabschnitte
(61, 62, 61", 62") im Bereich bzw. in der Bogenmeridianebene mittels profilendseitig eingebrachter
Ausbauchungen (10) gegeneinander abgestützt sind.
1. Heat exchanger which comprises a matrix (3) jutting out transversely to a hot gas
flow (H) and assembled from U-shaped tubular elements (41, 61; 42, 62; 410, 610) nested spatially one inside the other, which matrix is connected via two straight-legged
matrix arrays (4, 5') extending into an arcuate deflection region (6) to two tubular
compressed-air guideways (1, 2) arranged substantially parallel next to each other
and transversely to the matrix, there being a crosscounterflow guidance of the media
and the tubular elements being arranged in the arcuate deflection region of the matrix
at a slightly smaller mutual spacing than in the straight-legged matrix arrays (4,
5), in which the associated tubular sections (41, 410; 51, 510) are arranged at a uniform mutual spacing, characterised in that in the arcuate deflection
region (6) of the matrix (3) the more outer lying tubular sections (61, 62, 63) of the tubular elements equipped with comparatively large bend radii are nested
more into each other and hence are arranged at a smaller mutual spacing than the inner
tubular sections (68, 69, 610) equipped with the comparatively small bend radii.
2. Heat exchanger according to claim 1, characterised in that the tubular elements
in the common arc meridian plane of the detlection region (6) lie one above the other
in the direction from the innermost profiled tubular section (610) with the smallest arc of curvature to the outermost tubular section (61) with the largest arc of curvature, at a continuously decreasing mutual spacing,
in planes extending respectively parallel to each other.
3. Heat exchanger according to claim 1, characterised in that the tubular elements
in the common arc meridian plane of the deflection region lie one above the other
in the direction from the innermost profiled tubular section with smallest arc of
curvature to the outermost tubular section with the largest arc of curvature, first
of all at a constantly comparatively large mutual spacing and then at a comparatively
small uniform mutual spacing in planes extending respectively parallel to each other.
4. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 3, characterised in that
the arcuate matrix deflection region (6) comprises semi-circular curved tubular sections
(61, 62, 610), the circle centres of which (Ki, K2, K10) are shifted progressively outwards in accordance with the varying mutual tubular
spacing and, with regard to the arc radius reduction decreasing from the outside to
the inside, respectively along a common straight line (G).
5. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 3, characterised in that
the arcuate matrix deflection region comprises circularly and/or elliptically curved
tubular sections (61, 68, 69, 610) each with the same centre point (M), the one or major axis (A) of which is predetermined
by the uniform mutual tubular element spacing in the straight-legged matrix arrays
(4, 5), and the other or minor axis (B) of which is predetermined by the varying mutual
tubular element spacing in the arc meridian plane.
6. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 5, characterised in that
the arc meridian plane or its extension extends centrally and parallel between the
two straight-legged matrix arrays (4, 5), the straight lines (G) containing the circle
centres (K1, K2, K10) or the first or minor axes (B) which are associated with the elliptically curved
or semi- elliptical profiled tubular sections (61, 6a, 69, 610) lying on the extended arc meridian plane.
7. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 6, characterised in that
the tubular elements have a respectively uniform elongatedly oval profiled tubular
cross-section.
8. Heat exchanger according to one or more of claims 1 to 7, characterised in that
the tubular sections (61, 62, 61H, 62") forming the arcuate deflection region of the matrix (3) are supported against each
other in the region or in the arc meridian plane by means of bulges (10) fitted on
the profile end side.
1. Echangeur thermique, qui est constitué par une matrice (3) composée d'étriers tubulaires
en forme de U (41, 61; 42, 62; 410, 610) intercalés les uns dans les autres, cette matrice étant raccordée à deux conduites
tubulaires d'air comprimé (1, 2), disposées essentiellement parallèlement l'une à
côté de l'autre et transversalement par rapport à la matrice, par l'intermédiaire
de deux branches rectilignes (4, 5) de matrice, se terminant en une zone de renvoi
(6) en forme d'arc, grâce à quoi une circulation croisée à contre-courant des fluides
s'établit, les étriers tubulaires étant disposés dans la zone de renvoi en forme d'arc
de la matrice à des intervalles réciproques plus réduits que dans les branches rectilignes
(4, 5) de la matrice, dans lesquelles les tronçons de tubes correspondants (41, 410; 51, 510) sont disposés à un intervalle réciproque uniforme, échangeur thermique caractérisé
en ce que, dans la zone de renvoi en forme d'arc (6) de la matrice (3), les tronçons
de tubes (61, 62, 6s), placés le plus loin à l'extérieur des étriers tubulaires et qui sont pourvus
de rayons de courbure relativement grands, sont intercalés plus étroitement les uns
dans les autres et donc disposés à des intervalles réciproques plus réduits que les
tronçons de tubes (6a, 69, 610) placés à l'intérieur et pourvus de rayons de courbure relativement petits.
2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étriers
tubulaires, dans le plan méridien commun de l'arc de zone de renvoi (6), sont placés
les uns sur les autres dans des plans respectivement parallèles entre eux, à un intervalle
réciproque se réduisant progressivement en allant du tronçon de tube profilé (610) le plus intérieur et comportant le rayon de courbure le plus petit, vers le tronçon
de tube (61) le plus extérieur et comportant le rayon de courbure le plus grand.
3. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les étriers
tubulaires, dans le plan méridien commun de l'arc de la zone de renvoi, sont placés
les uns sur les autres dans des plans respectivement parallèles entre eux, tout d'abord
à un intervalle réciproque progressif relativement grand et ensuite à un intervalle
réciproque uniforme relativement petit en allant du tronçon de tube profilé le plus
intérieur comportant le rayon de courbure le plus petit vers le tronçon de tube profilé
le plus extérieur comportant le rayon de courbure le plus grand.
4. Echangeur thermique selon une ou plusieurs des revendications 1 à 3, caractérisé
en ce que la zone de renvoi en forme d'arc (6) de la matrice est constituée par des
tronçons de tubes (61, 62, 610) courbés en forme de demi-cercle, dont les centres (Ki, K2, Kio) sont respectivement décalés progressivement vers l'extérieur sur une droite
commune (G) de façon correspondante aux différents intervalles réciproques des tubes
ainsi que compte tenu de la réduction de leurs rayons de courbure de l'extérieur vers
l'intérieur.
5. Echangeur thermique selon une ou plusieurs des revendications 1 à 4, caractérisé
en ce que la zone de renvoi en forme d'arc de la matrice est constituée par des tronçons
de tubes (61, 6a, 69, 610), courbés en forme de cercle et/ou d'ellipse et ayant respectivement le même centre
(M), et dont un axe ou le grand axe (A) est prédéfini par les intervalles réciproques
uniformes des étriers dans les branches rectilignes (4, 5) de la matrice, et dont
l'autre axe ou le petit axe (B) est prédéfini par les intervalles réciproques différents
des étriers dans le plan méridien de l'axe.
6. Echangeur thermique selon une ou plusieurs des revendications 1 à 5, caractérisé
en ce que le plan méridien de l'arc ou bien son prolongement s'étend médianement ainsi
que parallèlement entre les deux branches rectilignes (4, 5) de la matrice, la droite
(G) sur laquelle sont placés les centres des cercles (Ki, K2, Kio) ou bien l'un des axes ou le petit axe (B) appartenant aux tronçons de tubes courbés
en forme d'ellipse (61, 68, 69, 610) sont situés sur le plan méridien prolongé de l'arc.
7. Echangeur thermique selon une ou plusieurs des revendications 1 à 6, caractérisé
en ce que les étriers tubulaires ont respectivement une section transversale tubulaire
de forme identique, profilée selon un ovale allongé.
8. Echangeur thermique selon une ou plusieurs des revendications 1 à 7, caractérisé
en ce que les tronçons de tubes (61, 62, 61*, 6e) constituant la zone de renvoi en forme d'arc (6) de la matrice (3) prennent
appui les uns contre les autres, au voisinage du plan méridien de l'axe ou bien dans
ce plan, par des évasements (10) ménagés aux extrémités de leurs profils.