DE69811452T2

DE69811452T2 - Kreuzstromwärmetauscher

Info

Publication number: DE69811452T2
Application number: DE69811452T
Authority: DE
Inventors: Pierre Carpentier
Original assignee: CONST AERO NAVALES
Current assignee: CONST AERO NAVALES
Priority date: 1997-10-10
Filing date: 1998-08-03
Publication date: 2003-12-24
Anticipated expiration: 2018-08-04
Also published as: EP0908691A1; FR2769697B1; ATE232961T1; DE69811452D1; FR2769697A1; EP0908691B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher des Typs mit einer ersten Reihe von Strömungswegen für ein erstes Fluid einer erhöhten Temperatur, ausgebildet aus einem wärmeleitenden Werkstoff, und einer zweiten Reihe von Strömungswegen für ein zweites Fluid mit einer geringeren Temperatur, ausgebildet aus einem wärmeleitenden Werkstoff, wobei die Wege rechtwinklig zueinander verlaufen, um einen Wärmetausch zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid zu erreichen, und jeder Weg eine längliche Form hat und durch Zwischenelemente aus einem wärmeleitenden Material, die an Längsinnenseiten der Wege fixiert sind, in mehrere Innenkanäle unterteilt ist.
Wärmetauscher dieses bekannten Typs sind in Form eines kompakten Blocks ausgebildet, in dem verschiedene Fluidströmungswege durch Lamellen ausgebildet sind, die lange Wände bilden, und Verbindungsstege dieser Lamellen. Der Zusammenbau dieser Lamellen und Verbindungsstege erfolgt durch Löten. Bedingt durch den thermischen Austauscheffekt zwischen den beiden Fluiden, in den Fluidströmungswegen bei erhöhter Temperatur, bildet sich ein deutlicher Temperaturgradient zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Fluids im Tauscher.
Dieser Gradient begünstigt mechanische Spannungen im kompakten Wärmetauscherblock, insbesondere auf Höhe der Befestigungen der Lamellen und der Stege, was zu Rissen und Brüchen führt.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen, der die oben genannten Nachteile bekannter Tauscher überwindet.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist der Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Wege der ersten Reihe gebildet werden durch parallele Flachrohre, die in Richtung rechtwinklig zu der Hauptsymmetrieachse ihres Querschnitts mit vorbestimmten Abständen nebeneinander angeordnet sind zwischen zwei äußeren Seitenplatten parallel zu den Rohren, die die Seitenteile eines an den anderen Seiten offenen Gehäuses bilden, und oben und unten gehalten von Sammeleintrittsplatten und -austrittsplatten eines Eingangssammlers und eines Ausgangssammlers, in die die Rohre münden, und dadurch dass die Wege der zweiten Reihe gebildet sind durch die Zwischenräume zwischen den Flachrohren einerseits und den Außenrohren sowie den Seitenplatten andererseits.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist eine der Sammelplatten in dem Gehäuse fest montiert, während die andere innerhalb des Gehäuses frei ist.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist die Sammelplatte, die fest im Gehäuse montiert ist, die Sammeleintrittsplatte des Wärmetauschers.
Die Erfindung wird besser verständlich und andere Ziele, Detailmerkmale und Vorteile davon werden deutlicher in der folgenden ausführlichen Beschreibung mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen, die nur als erläuterndes Beispiel gegeben sind und verschiedene Ausführungsformen der Erfindung darstellen, und in denen:
Fig. 1 schematisch eine Anwendung des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 eine Perspektivansicht eines Wärmetauschers zeigt, der in Fig. 1 mit A angegeben ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III der Fig. 1 zeigt, zusätzlich mit einer Darstellung der Schlauchanschlüsse zur Zufuhr und Abfuhr von Fluid;
Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von Fig. 2 zeigt;
Fig. 5 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2 einer anderen Ausführungsform des Wärmetauschers zeigt;
die Fig. 6 bis 10 schematisch verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers zeigen, ausgehend vom in den Fig. 2 bis 5 gezeigten Prinzip;
Fig. 11 eine Perspektivansicht noch einer anderen Ausführungsform des Wärmetauschers zeigt, und
Fig. 12 eine Schnittansicht entlang der Linie XII-XII der Fig. 11 zeigt.
Fig. 1 zeigt als Beispiel die Verwendung eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung in einem Flugzeug, bei dem er in den Strom von heißen Gasen F1 eingesetzt ist, beispielsweise in der Größenordnung von 600ºC, um deren Abkühlung durch das Fluid F2 mit beispielsweise 250ºC zu erreichen. Wie in der Figur zu sehen ist, wird das Fluid F1 durch eine Leitung 1 geführt, läuft über den Tauscher A, wobei er über einen Eingangssammler und einen Ausgangssammler 2 bzw. 3 läuft, um in die Ausgangsleitung 4 zu gelangen, die mit dem Sammler 3 durch ein elastisches Verbindungselement 5 verbunden ist.
Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Wärmetauschers, die in Fig. 1 mit A angegeben ist. Dieser Tauscher trägt eine Vielzahl von Flachrohren 7, die parallel und in senkrechter Richtung zur Querschnittsachse der Rohre in einem bestimmten Abstand voneinander getrennt sind, zwischen zwei zu den Rohren 7 parallelen Seitenplatten 8 eines allgemein durch 9 angegebenen Gehäuses und im Querschnitt im Wesentlichen rechtwinklig, und das an zwei anderen gegenüberliegenden Seitenflächen 10 offen ist. Die Rohre sind aus einem thermisch leitfähigen Material gebildet. Die beiden Seitenplatten 8, die die Seiten des Tauschers bilden, sind an den vier Ecken durch Winkelstücke 11 verbunden.
Die Rohre sind oben und unten auf Höhe des durch die oberen und unteren Ränder der Platten 8 und die Winkelstücke 11 gebildeten Rahmens durch oberen und unteren Sammelplatten 14 bzw. 13 gehalten, die in Fig. 1 Teil der Wärmetauscher am Ausgang 3 bzw. am Eingang 2 bilden.
Der Innenraum jedes Rohrs 7 ist durch ein Zwischenband 16 unterteilt, das in Serpentinenform in eine Vielzahl von Kanälen 17 gefaltet ist, die zur Rohrachse parallel sind. Das Zwischenelement ist aus einem Wärme leitenden Material gebildet und durch Löten an den Innenseiten des Rohrs entlang der Gratlinien befestigt. Ebenso ist in jedem Raum 18 zwischen zwei benachbarten Rohren ein Band 19 aus einem wärmeleitenden Material gebildet, das in Serpentinenform gefaltet ist. Dieses Zwischenelement ist durch Löten an den Außenwänden der Rohre befestigt, um den Raum zwischen den Rohren in eine Vielzahl von Kanälen 20 zu unterteilen, die sich senkrecht zu den Rohrachsen zwischen den offenen Seiten 10 des Gehäuses erstrecken. Der Raum zwischen jedem äußeren Rohr 7 und der angrenzenden Seitenplatte 8 ist gleichermaßen durch ein serpentinenförmiges Zwischenelement 19 besetzt. Aber dieses letztgenannte ist nur an der Außenseite des Rohrs befestigt und auf Höhe der Platte 8 frei.
Wie es in Fig. 2 angegeben und aus Fig. 1 ersichtlich ist, kreuzt das Fluid F1 die Kanäle 16 der Rohre 7, wenn das Fluid 2 durch die Kanäle 20 des an der Außenseite der Rohre angeordneten Zwischenelements 19 fliesst.
Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung ist eine der beiden Sammelplatten 13, 14, bevorzugt die Platte 13 des Eingangssammlers 2 wegen der höheren Temperatur des Fluids F1 in diesem, bei 21 mit dem Gehäuse 9 verbunden, das heißt mit den unteren Rändern der Platten 8 und unteren Winkelstücken 11, während die andere Sammelplatte, das heißt die Platte 14 des Ausgangssammlers 3 im Inneren des durch das obere Ende der Platten 8 und die oberen Winkelstücke 11 gebildeten Rahmens frei bleibt, wobei ein Zwischenraum 22 bleibt. Um der oberen leitfähigen Platte 14 diese Verschiebungsfreiheit im Rahmen zu gewährleisten, wurden in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform dieser Platte kleinere Abmessungen gegeben, als der leitfähigen Eingangsplatte 13, während in der Version der Fig. 5 die beiden Sammelplatten 13 und 14 und ebenso die beiden Sammler 2 und 3 dieselben Abmessungen aufweisen und nur die Seitenplatten 8 auf Höhe ihres oberen Endes nach außen versetzt sind.
Es ist anzumerken, dass der so zwischen der Sammelplatte 13 und den Wänden 8 und den Winkelstücken 11 angeordnete Zwischenrasum 22 durch eine nicht dargestellte Dichtung verschlossen werden kann, um ein Entweichen des Fluids F2 durch den Zwischenraum 22 zu verhindern. Bedingt durch diese Dichtung befindet sich der Zwischenraum bevorzugt an der Seite des Tauschers, wo die Fluidtemperatur geringer ist.
Mit der Anordnung, die gebildet ist durch die Rohre 7 mit den Zwischenräumen 16 und 19 und den leitfähigen Platten 13 und 14, die an einem Ende nicht am Gehäuse befestigt ist, kann am oberen Ende des Ausgangs von Fluid F1 bei Auftreten ein Temperaturgradient zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Tauschers keine mechanischen Wärmespannungen erzeugen, die Risse und Brüche hervorrufen können, wie bei den bekannten Wärmetauschern.
Die Fig. 6 bis 10 zeigen verschiedene Ausführungsformen des durch die Erfindung vorgeschlagenen Wärmetauschers. In Fig. 6 ist der Wärmetauscher von dem Typ mit zwei gegenläufigen Durchgängen. Die Eingangs- und Ausgangssammler mit ihren bei 25 bzw. 26 angegebenen Sammelplatten liegen am oberen Ende des Tauschers nebeneinander. Der Innenraum des Gehäuses ist durch eine axiale Mittelwand 27 in zwei Abteile 29, 30 unterteilt. Jedes Abteil 29, 30 nimmt eine Wärmetauschereinheit auf. Die beiden Abteile sind unten durch einen gemeinsamen Sammler 31 verbunden, dessen Haltesammelplatten der Rohre 7 mit dem Gehäuse verbunden sind, während die Eingans- und Ausgangssammelplatten 25 und 26 frei sind. Der sich zwischen diesen Platten und dem Gehäuse erstreckende Zwischenraum ist bei 34 angegeben.
Fig. 7 stellt einen Wärmetauscher mit drei gegenläufigen Durchgängen dar. Dieser Tauscher trägt drei Abteile 36, 37, 38, die nacheinander vom Fluid F1 durchlaufen werden. Die Abteile 36 und 37 einerseits und die Abteile 37 und 38 andererseits sind durch einen gemeinsamen Sammler 39 bzw. 40 verbunden. Bei diesem Tauscher ist der Eingangssammler 41 vom Gehäuse getrennt, der gemeinsame Sammler 39 ist verbunden und der gemeinsame Tauscher 40 ist auf Höhe der Abteile 37 und 38 getrennt.
Die Fig. 8 und 9 zeigen einen Tauscher vom selben Typ wie der in den Fig. 2 bis 5 gezeigte, aber mit einem Zwischensammler 42 versehen, um ein Abziehen des Fluids F1' mit einer höheren Temperatur zu ermöglichen als die des Fluids im oberen Sammler 3, beispielsweise zum Enteisen der Flügel eines Flugzeuges. Bei diesem Wärmetauscher sind die Sammelplatten 13 und 14 des Eingangstauschers vom Gehäuse 8 getrennt, während der Sammler 42 an den beiden Außenplatten des Gehäuses 8 befestigt ist. Es ist jedoch gleichermaßen möglich, den Sammler 42 und die Platte 14 frei zu lassen, während die Platte 13 an den Platten 8 befestigt ist.
Schließlich zeigt Fig. 10 eine Version eines Wärmetauschers, bei dem, in Bezug auf die Ausführungsform der Fig. 1, jeder Strömungsweg des Fluids F1 von zwei Rohren 7a und 7b gebildet ist, die in der Richtung der Hauptachse des Querschnitts benachbart sind.
Es versteht sich, dass zahlreiche Modifikationen an den dargestellten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Tauschers vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenso können die Rohre statt der länglichen Form andere Formen aufweisen und in ihrem Querschnitt gekrümmt sein. Es ist gleichermaßen nicht notwendig, dass im selben Bündel alle Rohre die selbe Länge aufweisen oder gerade sind. Was den Zwischenraum betrifft, so kann dieser statt aus einem serpentinenförmigen Band, das an den Seiten des Rohrs angelötet ist, aus Material sein und die Rohre mit Stegen ausgebildet sein, beispielsweise durch Extrusion. Schließlich kann im Fall der Fig. 10 jeder Strömungsweg mit mehr als zwei Rohren gebildet sein. Das Konzept des Tauschers ist für jedes metallische Material oder Verbundmaterial anwendbar.
Die Fig. 11 und 12 zeigen eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tauschers, die besonders für den Fall geeignet ist, wo im Raum 18 zwischen den benachbarten Rohren 7 ein starker Druck herrscht. In dieser Ausführungsform sind die Seiten 8 des Gehäuses 9 mit Vorteil auf Höhe ihrer Mittellinien in zwei Teile 45 bzw. 46 unterteilt, die mit den Eingangs- 2 und Ausgangssammlern 3 verbunden sind. Die beiden Wandteile 45, 46 sind auf Höhe ihrer benachbarten Ränder 47, 48 durch ein elastisches dichtes Verbindungsorgan 50 verbunden, beispielsweise in Form eines Bandes oder Balgs. Wie in Fig. 12 deutlich zu sehen ist, sind die Zwischenbänder 19, die im Raum zwischen den Außenplatten 7 und den Seitenteilen 45, 46 angeordnet sind, auf Höhe ihrer Oberkante an diesen Teilen befestigt.
Das elastische Verbindungsorgan 50 kann durch ein Verstärkungselement 51 verstärkt sein, beispielsweise ein Metall, um ein besseres Druckverhalten zu erreichen.
In den Figuren ist das Verbindungsorgan 50 auf der Außenseite der Seitenteile 45 und 46 gezeigt, es kann aber gleichermaßen auf den Innenseiten platziert sein.
Es ist anzumerken, dass der Abstand zwischen den benachbarten Ränder 48 und 47 der beiden Seitenteile 45 und 46 bei Kälte sehr gering ist. Die Kanten können sogar vereint sein. Aus diesem Grund ist es nicht notwendig, eine Welle des Zwischenelements wegzulassen. Es genügt, sie entlang der Gratlinie aufzuschneiden und die beiden Gratteile getrennt jeweils am einen und anderen Seitenteil zu befestigen.
Es versteht sich, dass die Seiten auch in eine größere Zahl von Teilen als in der dargestellten Version unterteilt sein können. Es ist nur wichtig, dass diese Unterteilung mindestens zwei Teile umfasst, mit dichter Abdeckung der Trennungszonen durch dichte und elastische Verbindungsorgane, die dem Gehäuse die Verschiebungsfreiheit verleihen, die in der Ausführungsform der Fig. 1 bis 5 durch den Zwischenraum 22 zwischen den Seiten und dem Ausgangssammler gewährleistet ist.

Claims

1. Wärmetauscher des Typs mit einer ersten Reihe von Strömungswegen für ein erstes Fluid einer erhöhten Temperatur, ausgebildet aus einem wärmeleitenden Werkstoff, und einer zweiten Reihe von Strömungswegen für ein zweites Fluid mit einer geringeren Temperatur, ausgebildet aus einem wärmeleitenden Werkstoff, wobei die Wege rechtwinklig zueinander verlaufen, um einen Wärmetausch zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid zu erreichen, und jeder Weg eine längliche Form hat und durch Zwischenelemente aus einem wärmeleitenden Material, die an Längsinnenseiten der Wege fixiert sind, in mehrere Innenkanäle unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wege der ersten Reihe gebildet werden durch parallele Flachrohre (7), die in Richtung rechtwinklig zu der Hauptsymmetrieachse ihres Querschnitts mit vorbestimmten Abständen nebeneinander angeordnet sind zwischen zwei äußeren Seitenplatten (8) parallel zu den Rohren (7) eines an den anderen Seiten offenen Gehäuses (10), und oben und unten gehalten von Sammeleintrittsplatten (13) und - austritasplatten (14) eines Eingangssammlers (2) und eines Ausgangssammlers (3), in die die Rohre (7) münden, und daß die Wege der zweiten Reihe gebildet sind durch die Zwischenräume (17) zwischen den Flachrohren (7) und den Außenrohren sowie den Platten des Gehäuses (8).

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Sammelplatten (13, 14) in dem Gehäuse (9) fest montiert ist, während die andere (14, 13) innerhalb des Gehäuses frei ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelplatte (13) des Eingangssammlers (2) fest in dem Gehäuse (9) montiert ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede äußere Seitenplatte (8) sich aus mindestens zwei Teilen (45, 46) zusammensetzt, die entlang Linien getrennt sind, die etwa rechtwinklig zu der Längsachse der Flachrohre (7) verlaufen, und die voneinander bei relativ kleinem Abstand im Kaltzustand voneinander getrennt sind, und daß die getrennten Teile untereinander durch dichte und elastische Verbindungsorgane (50) verbunden sind, wobei die Platten einstückig mit den Eingangssammlern (2) und Ausgangssammlern (3) ausgebildet sind.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einem elastischen Verbindungsorgan (50) ein Verstärkungselement (51) zugeordnet ist.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenelement (16) in Form von Stegen oder eines serpentinenartig gefalteten Bands sich innerhalb jedes Flachrohrs (7) befindet.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenelement (19) in Form von Stegen oder in Form eines serpentinenartig gebogenen Bands sich in dem Raum (18) zwischen zwei benachbarten Flachrohren (7) befindet und an den Außenseiten von diesen fixiert ist, und daß sich ein Zwischenelement zwischen jedem äußeren Rohr (7) und der entsprechenden Außenplatte (8) des Gehäuses befindet, wobei dieses Zwischenelement ausschließlich an der Außenseite des Rohrs (7) befestigt ist.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenelement (19) in Form von Stegen oder in Form eines serpentinenartig gefalteten Bands sich in dem Raum (18) zwischen benachbarten Flachrohren (7) befindet und an den Außenseiten von diesen fixiert ist, und daß das Zwischenelement, welches sich zwischen jedem Außenrohr (7) und der entsprechenden Außenplatte (8) des Gehäuses befindet, an der Außenseite des Rohrs (7) und an der Innenseite der Platte (8) befestigt ist.

9. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (9) zwei der vorgenannten Seitenplatten (8) und im Bereich der Ecken dieser Platten Elemente, beispielsweise Winkelstücke (11) aufweist, welche die Ecken verbinden.

10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2, 3, 6, 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelplatte (14), die nicht einstückig mit dem Gehäuse (9) verbunden ist, Abmessungen besitzt, die geringer sind als jene der Sammelplatte (13) des Gehäuses.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2, 3, 6, 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelplatte (13), die nicht einstückig mit dem Gehäuse (9) verbunden ist, die gleichen Abmessungen wie die einstückig mit dem Gehäuse ausgebildete Sammelplatte (14) aufweist, und das Gehäuse im Bereich der nicht einstückigen leitenden Platte vergrößert ist.

12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2, 3, 6, 7, 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenraum (22) zwischen der nicht einstückigen leitenden Platte des Gehäuses (9) und letzterem eine Dichtungsverbindung angeordnet ist.

13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Tauscherkonfiguration mit mehreren Kreuzstrom-Durchgängen das Gehäuse des Wärmetauschers in eine geeignete Anzahl von Abteilen (29, 30; 37 bis 38) unterteilt ist, die jeweils eine Wärmetauschereinheit aufnehmen, und daß die Tauschereinheiten im Bereich einer Sammelplatte von dem Gehäuse getrennt sind.

14. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Zwischensammler (42) zwischen zwei Gruppen von in Reihe angeordneten Flachrohren (7) aufweist, um das heiße Fluid (F1) auf eine Zwischentemperatur zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur des Fluids zu bringen, und daß der Zwischensammler (42) oder einer der Sammler (13, 14) einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet ist.

15. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg (7) des ersten Fluids (F1) durch zwei Flachröhren (7a, 7b) gebildet ist, die in der Richtung der Hauptquerschnittachse der Rohre nebeneinander angeordnet sind.

16. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (7) einen Querschnitt beliebiger Form haben, insbesondere aber einen länglichen und geradlinigen Querschnitt haben.

17. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre einen kurvenförmigen Querschnitt aufweisen.

18. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre in axialer Richtung geradlinig oder bogenförmig sind.

19. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus metallischem Werkstoff besteht.