DE2946804C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Bei einem solchen bekannten Wärmetauscher (DE-AS 10 75 135) sind sämtliche Abschlußleisten an ihren Enden in Richtung der Diagonalen des Kerns schräg nach außen gebogen. Als Eckverbin­ dungen sind die Enden der Abschlußleisten einschließlich der Deckplatten mit Nuten zur Halterung von Metallwänden versehen. An diese Metallwände, die schräg zu den Enden und den Seiten des Kerns angeordnet sind, sind Verteiler anschweißbar. Die Metallwände, die in etwa zu den Abschlußleisten parallel sind, sind erforderlich, damit überhaupt Verteiler an den Kern angeschweißt werden können, und sämtliche Abschlußleisten müssen genutet und gebogen sein, um die Metallwände aufnehmen zu können. Entsprechend spitzwinkelig müssen die Wände der Verteiler angeordnet sein, damit sie mit den Metallwänden verschweißt werden können. Bei dem bekannten Wärmetauscher ist es also arbeitsaufwenig und schwierig, die Eckverbin­ dungen und die Verteiler herzustellen und diese beiden Teile miteinander zu verbinden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art so auszu­ bilden, daß die Eckverbindungen und die Verteiler und die Verbindung dieser beiden Teile vereinfacht werden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem Wärmetauscher nach der Erfindung sind im Gegensatz zu dem bekannten Wärmetauscher nur die ersten Abschlußleisten an den Eckverbindungen gebogen, wogegen die zweiten Abschlußleisten einen ungebogenen Teil aufweisen, der von der Ecke vorsteht, d. h. die zweiten Abschlußleisten können einfach gerade Leisten sein. Demgemäß erfordert der Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmetauschers wesentlich weniger Abschlußleistenformgebungsarbeit als der Aufbau des bekannten Wärmetauschers, bei dem sämtliche Abschlußleisten an den Ecken gebogen sein müssen. Die Einsparung an Fertigungskosten, die dadurch erzielt wird, daß nur die ersten Abschlußleisten gebogen sein müssen, ist bei großen Wärme­ tauschern, die eine Vielzahl von übereinandergestapelten Schichten aufweisen, selbstverständlich beträchtlich. Darüber hinaus erstreckt sich bei dem Wärmetauscher nach der Erfindung der die Eckverbindung bildende Flansch für die Verteiler nicht in Richtung der Diagonalen des Kerns, sondern parallel zu einer Seite des Kerns und quer zu einer angrenzenden Seite des Kerns. Demgemäß kann ein Verteiler einfachsten Aufbaus direkt mit dem Flansch stumpfverschweißt werden, ohne daß zusätzliche Metallwände zwischen dem Verteiler und dem Flansch oder Nuten für die Metallwände in dem Flansch und den Deckplatten erforderlich sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 wird ein Flansch zum Anschweißen der Verteiler gebildet, der sich außerhalb des Kerns befindet, und zwar aufgrund eines Steges, der aus den ersten gebogenen Teilen der ersten Abschluß­ leisten und dem ungebogenen vorstehenden Teil der zweiten Abschlußleisten gebildet ist. Dieser Steg wird Schwingungen und Wärmespannungen, die in dem Verteiler auftreten, von dem Wärmetauscherkern fernhalten, dabei aber gleichzeitig einen guten Wärmeableiter bilden, der es noch sicherer ermöglicht, Verteiler an dem Befestigungsflansch durch Hartlöten oder Schweißen zu befestigen, ohne daß der Kern des Wärmetauschers überhitzt werden kann.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ermöglicht der zusätzliche zweite Flansch das einfache Herstellen von mehrzügigen Kernen, z. B. zur Bildung von zwei getrennten Wärmetauschern unter Verwendung ein und desselben Kerns.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrie­ ben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetau­ schers, bei dem der Flansch, an den die Ver­ teiler angeschweißt sind, aus L-förmigen Ab­ schlußleisten und abwechselnden geraden Ab­ schlußleisten gebildet ist, wobei außerdem ein zweiter Flansch über der Länge des Kerns ge­ zeigt ist,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Aus­ führungsform eines Wärmetauschers, bei dem der Flansch aus abwechselnden L-förmigen und doppelt gebogenen, Z-förmigen Abschlußleisten be­ steht, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Ausführungsform von Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen mehrzügigen Kreuzstrom- Wärmetauscher, wobei der grundlegende Aufbau von des­ sen Kern und seine Arbeitsweise bekannt sind und keinen Teil der Erfindung bilden. Gewellte Rippenelemente, die abwechseln­ de Schichten des Kerns 10 bilden und zwischen denen Fluid hindurchgeleitet wird, tragen die Bezugszahlen 12 bzw. 14. Die abwechselnden Rippenschichten sind zueinander rechtwin­ kelig, wodurch ein Wärmeaustausch zwischen einem ersten Fluid, das durch die durch die Rippenelemente 12 gebildeten Kanäle hindurch­ geleitet wird, und einem zweiten Fluid erfolgt, das durch die durch die Rippenelemente 14 gebildeten Kanäle hindurchgeleitet wird. Es sind zwar in Fig. 1 nur zehn Schichten des Kerns 10 gezeigt, andere Anzahlen von Schichten können jedoch in gleicher Weise zur Vervollständigung des Kerns übereinandergestapelt werden, wobei die Anzahl der Schichten von dem besonderen Verwendungszweck abhängig ist.

Zwischen abwechselnden Schichten von Rippenelementen 12 und 14 sind ebene Trennbleche 16 angeordnet, die dazu dienen, die Schich­ ten voneinander zu trennen. Die Rippenelemente sind durch Hartlöten mit den Trennblechen verbunden. Deckplatten 17 ähnlich den Trennblechen 16, aber aus dickerem Material zur Erzielung einer zusätzlichen Festigkeit, sind durch Hartlö­ ten mit der Ober- und der Unterseite des Kerns 10 verbunden.

Abschlußleisten 18 und 20 sind neben den Seiten der Rippen­ elemente 12 bzw. 14 befestigt, wobei die Abschlußleisten durch Hart­ löten zwischen den vorstehenden Enden der Trennbleche 16 be­ festigt sind. Die Abschlußleisten sind parallel zu den Ka­ nälen angeordnet und dienen zum Versperren der Seiten der Kanäle, um eine Leckage von Fluid zu verhindern, dem Kern 10 eine zusätzliche bauliche Stabilität und Festigkeit zu ge­ ben und ein Gebilde zu schaffen, an das Verteiler an­ geschweißt werden können. Die Abschlußleisten können hohl sein, wenn das Gewicht eine Hauptüberlegung ist, in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden aber massive Abschlußleisten bevorzugt. Massive Abschlußleisten aus rostfreiem Stahl oder anderen Legierungen sind außerdem billiger als dünnwandige Rohre aus demselben Material.

In der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind die Abschlußleisten 18 L-förmig, wobei der unter einem Winkel von 90° gebogene Teil sich an der Ecke be­ findet und die Bezugszahl 22 trägt. Die Abschlußleisten 20 sind gerade und erstrecken sich um eine Strecke über das Ende der Rippenelemente in dem Kern 10 hinaus, die gleich dem vor­ stehenden gebogenen Teil 22 der Abschlußleisten 18 ist, so daß die Enden der abwechselnden Abschlußleisten in einer geraden Linie liegen. Durch die gebogenen Teile 22 der Ab­ schlußleisten 18 und die vorstehenden ungebogenen Teile der Abschlußleisten 20, die sich über das Ende der Rippenelemente des Kerns hinaus erstrecken, in derselben Ebene liegen und in einer geraden Linie endigen, ist ein Flansch gebildet.

Jede Ecke des Wärmetauschers, an der ein Verteiler befestigt wird, ist in gleicher Weise gebildet. Es ist unwesentlich, ob die Abschlußleisten 20 an beiden Enden des Kerns L-förmig und die Abschlußleisten 18 gerade sind und über das Ende der Rippenelemente 12, 14 an allen vier Ecken vorstehen oder ob jede Abschlußleiste an einem Ende L-förmig ist, wogegen das andere Ende gerade ist und über das Ende der Rippenelemente vorsteht, da beide Konstruktionen in gleicher Weise verwendbar sind.

Gemäß Fig. 1 sind Verteiler 24 und 26 mit dem durch die vorstehenden Teile der Abschlußleisten gebildeten Flansch verschweißt. Der Verteiler 24 ist, wie dargestellt, stumpf mit dem Flansch verschweißt, er kann aber auch überlappt mit dem Flansch ver­ schweißt sein. Dank des Flansches kann das Schweißen automati­ siert werden, und der Kern wird, da das Schweißen nicht di­ rekt an ihm erfolgt, durch die Hitze des Schweißvorganges nicht beschädigt. Weiter sind Wärmetauscher einer Tempera­ turwechselbeanspruchung ausgesetzt, wenn sich die Tempera­ turen der Fluids ändern, und das Anschweißen der Verteiler an den Flansch gestattet das Biegen des Kerns, wodurch durch die Verteiler ausgeübte mechanische Spannungen verringert werden. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion besteht darin, daß das Schweißen an einer von dem Kern entfernten Stelle einen leichteren Zugang zu dem Kern ermöglicht, wenn Repara­ turen an diesem erforderlich sind.

Zum Schaffen einer zusätzlichen Festigkeit und zum Verhindern einer Fluidleckage nach außen oder zu anderen Zügen in dem Wärmetauscher ist es vorzuziehen, die Trennbleche 16 so zu ver­ längern, daß sie mit dem Flansch in Deckung sind, d. h. die Trennbleche 16 einen Teil des Flansches bilden zu lassen. Das kann erreicht werden, indem ein einzelner rechteckiger Lap­ pen an der Ecke des Trennbleches gebildet wird, der zwischen den vorstehenden Teilen der Abschlußleisten angeordnet wird, die den Flansch bilden. Es hat sich jedoch als bevorzugenswert erwiesen, den Lappen der Trennbleche 16 in Form einer Kurve auszubilden, die allmählich in die Seite des Kerns 10 übergeht und mit der Bezugszahl 28 bezeichnet ist. Diese Konstruktion gibt dem Wärmetauscher zusätzliche Festigkeit und Steifigkeit und wirkt einer Rißbildung aufgrund einer Tempera­ turwechselbeanspruchung in einer Weise entgegen, die einem geraden Lappen überlegen ist. In Fig. 1 ist die Deckplatte 17 mit nach oben gebogenem Lappen 28, wie durch eine gestrichelte Linie angedeutet, gezeigt, um ihren Aufbau besser deutlich zu machen. Die Deckplatte kann eben­ falls so ausgebildet sein, daß sie die Ränder vollständig überlappt.

Fig. 1 zeigt weiter eine Modifizierung, gemäß welcher ein zweiter Flansch 52 über der Länge des Kerns 10 gebildet ist. Diese Konstruktion ist bei mehrzügigen Kernen von Nutzen. Die Abschlußleisten 18 haben einen zweiten, unter 90° gebogenen Teil 40 an dem zu dem vorstehenden Teil 22 entgegengesetzten Ende. Eine Abschlußleiste 42 hat ebenfalls einen um 90° gebogenen Teil, der mit 44 bezeichnet ist. Die gebogenen Teile 40 und 44 liegen aneinander und bilden einen Teil des Flansches 52. Mit den aneinanderliegenden gebogenen Teilen 40 und 44 wechseln in derselben Ebene liegende gerade Abschlußleisten 46 ab, die sich vollständig durch den Kern erstrecken und über die Seiten des Kerns um dieselbe Strecke wie die Teile 40 und 44 vorstehen. Die Trennbleche 16 sind auf beiden Seiten des Flansches 52 gekrümmt, wie es an den Stellen 48 und 50 gezeigt ist, und bilden ebenfalls einen Teil des Flansches 52. Ein oder mehrere Verteiler können stumpf mit diesem Flansch verschweißt sein. Diese Modifizierung ist vor allem eine Möglichkeit zur Herstellung von zwei getrennten Wärme­ tauschern unter gemeinsamer Verwendung von vielen Teilen und ist beispielsweise nützlich, wenn Triebwerksabzapfluft bei unterschiedlichen Temperaturen durch Staudruck-Luft ge­ kühlt wird. Die beiden Abzapfluftströme können zu verschie­ denen Teilen des Kerns über getrennte Verteiler geleitet werden. Diese Modifizierung ist außerdem von Nutzen, wenn der Druck der beiden Ströme verschieden ist und unterschied­ liche Verteilerkonstruktionen erforderlich macht. Es ist gleichwertig, zwei getrennte Kerne mit Eckflanschen an bei­ den aneinanderstoßenden Ecken stumpf aneinanderstoßen zu lassen und die Notwendigkeit von zwei gesonderten, geraden Abschlußleisten zu eliminieren, da die Abschlußleisten 46, die sich durch den Kern erstrecken, den Zweck von zwei Abschlußleisten erfüllen.

Eine zweite Ausführungsform des Wärmetauschers ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Die Kernkonstruktion einschließlich der quer zueinander ausgerichteten Rippenelemente 12 und 14 und der Trennbleche 16 zwischen den Rippenschichten sowie der oberen und der unteren Deckplatte 17 stimmt mit der in Fig. 1 über­ ein. Der Unterschied besteht darin, daß die Abschlußleisten 30 Z-förmig oder doppelt gebogen sind, d. h. daß an der Ecke des Kerns 10 die Abschlußleisten unter 90° von dem Kern vorstehen und dann wieder um 90° gebogen sind, so daß sie sich über eine kurze Strecke in der ursprünglichen Richtung erstrecken, d. h. in einer Ebene, die zu dem Haupt­ teil der Abschlußleiste, die durch Hartlöten mit dem Kern 10 verbunden ist, parallel ist. Die Abschlußleisten 32 sind in gleicher Weise wie die Abschlußleisten 18 von Fig. 1 L-förmig, d. h. haben einen von dem Kern 10 um 90° weggebogenen Teil. Die äußersten Teile der Abschlußleisten 30 und 32 endigen in einer geraden Linie und liegen in der­ selben Ebene, um den Flansch zu bilden, an dem die Verteiler 34 und 36 angeschweißt werden. Der Verteiler 36 ist überlappt an den Flansch angeschweißt dargestellt, kann mit diesem aber auch durch Stumpfschweißen verbunden sein. Die Art der Schwei­ ßung hängt von dem Druck ab, dem der Verteiler ausgesetzt ist. Die Trennbleche 16 sind an ihren Ecken auf beiden Sei­ ten des Kerns gekrümmt, wie es an den Stellen 54 und 56 ge­ zeigt ist, und stehen von dem Kern zwischen den vorstehenden Teilen der Abschlußleisten ab, um für zusätzliche Festig­ keit zu sorgen. Die Deckplatte 17 und die Abschlußleiste 32 sind in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber weggebrochen ge­ zeigt.

In einem typischen Anwendungsfall kann der Wärmetauscher in einer Klimaanlage eines Flugzeuges benutzt werden, in welcher warme Abzapfluft aus einem Gasturbinen­ triebwerk durch eine Gruppe von Rippenelementen hindurchgeleitet wird, während Umgebungs- oder Staudruck-Luft von außerhalb des Flugzeuges durch die andere Gruppe von Rippenelementen hindurchgelei­ tet wird, wobei die Abzapfluft durch Wärmeaustausch mit der Staudruck-Luft gekühlt und letztere zum Konditionieren der Luft in der Flugzeugkabine benutzt wird.

Claims (3)

1. Wärmetauscher mit einem Kern (10), der mehrere über­ einandergestapelte Schichten aufweist, die jeweils ein durchgehendes, gewelltes Rippenelement (12, 14) aufwei­ sen, das mehrere parallele, mit offenen Enden versehene Kanäle bildet, durch die ein Fluid hindurchgeleitet wer­ den kann, wobei abwechselnde Schichten des Kerns so über­ einandergestapelt sind, daß der Fluiddurchfluß durch die Kanäle in jeder Schicht eine andere Richtung als in den Kanälen in den angrenzenden Schichten hat, mit ebenen Trennblechen (16), die an den Schichten befestigt sind und diese jeweils voneinander trennen, mit an der obersten und an der untersten Schicht befestigten Deckplatten (17), mit ersten Abschlußleisten (18), die sich über die Länge von abwechselnden Rippenschichten an der Außenseite des Kerns (10) zwischen benachbarten Trennblechen (16) er­ strecken und an einem ihrer Enden gebogen sind, wobei der gebogene Teil (22) um eine kurze Strecke von dem Kern (10) vorsteht, und mit zweiten Abschlußleisten (20), die sich über die Länge der übrigen Rippenschichten im wesentlichen rechtwinkelig zu den ersten Abschlußleisten (18) und zwi­ schen benachbarten Trennblechen (16) erstrecken und über den Kern (10) um eine Strecke vorstehen, die gleich der Länge des gebogenen Teils (22) der ersten Abschlußleisten (18) ist, wo­ bei die vorstehenden Teile der ersten und zweiten Abschluß­ leisten (18, 20) in einer Linie und in einer Ebene liegen und einen von dem Kern abstehenden Flansch bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der gebogene Teil (22) der ersten Abschlußleisten (18) unter einem Winkel von 90° von dem Kern (10) vorsteht, und daß der vorstehende Teil der zwei­ ten Abschlußleisten (20) ein ungebogener Teil ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Abschlußleisten (30) außen an ihrem ersten um 90° gebogenen Teil einen zweiten um 90° gebogenen Teil aufweisen, der parallel zur Längsrichtung der ersten Abschlußleisten (30) von dem Kern (10) weggerichtet ist, und daß die zweiten Abschlußleisten (32) an den Enden ihres vorstehenden Teils unter einem Winkel von 90° gebogen und mit dem zweiten gebo­ genen Teil der ersten Abschlußleisten (30) ausgerichtet sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein zweiter Flansch (52) zwischen den Ecken des Kerns (10) und durch Aneinanderstoßen der gebogenen Teile (40, 44) von zwei benachbarten ersten Abschlußleisten (18, 42) sowie durch eine einzelne zweite Abschlußleiste (46), die vollständig durch den Kern (10) hindurchgeführt ist, gebildet ist.