Теплообменники и системы теплообмена
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в системах теплообмена и теплообменниках. Система теплообмена включает в себя теплообменник, включающий трубку, сквозь которую протекает первая текучая среда и множество ребер, выполненных из тонких пластин, прикрепленных к трубке и упорядоченных параллельно друг другу в направлении, вдоль которого трубка расширяется, и вентилятор для ввода второй текучей среды между ребрами. Ребро включает вогнутые части и выпуклые части непрерывно и циклично формируется в виде зигзагообразной линии. Вогнутые части и выпуклые части упорядочены таким образом, чтобы расширяться в направлении, пересекающем направление движения второй текучей среды, протекающей между ребрами, а поток второй текучей среды, протекающий между ребрами, является циклически переменным. Технический результат - создание теплообменника, который может снижать толщину граничного слоя потока вблизи поверхности ребра, тем самым позволяя улучшить эффективность теплообменника и системы теплообмена, использующие это изобретение. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 28 ил.
Настоящее изобретение относится к теплообменникам с ребристыми трубками и системам теплообмена, с их использованием.
На Фиг. 28 представлен теплообменник с ребристыми трубками в соответствии с традиционной технологией. В теплообменнике 1 множество тонких пластиноподобных ребер 3 прикреплено к трубке 2 для того, чтобы через них протекала жидкость. В общем, текучая среда с высоким коэффициентом теплопроводности (такая как, например, вода, СО2 или хладагент на основе HCB) пропускается внутрь трубки 2, а текучая среда с низким коэффициентом теплопроводности (такая как, например, воздух) пропускается снаружи трубки 2.
Ребра 3 упорядочены рядом друг за другом в направлении расширения трубки 2, а теплообменник выполнен между текучей средой, протекающей через трубку 2, и текучей средой, поставляемой между ребрами 3, как показано стрелкой А1. С внешней стороны трубки 2, которая имеет низкую теплопроводность, ребра 3 увеличивают область теплообмена и, таким образом, позволяют получить большой объем теплообмена. Поэтому теплообменники с ребристыми трубками широко используются в качестве теплообменников для теплообмена между газами и между газом и жидкостью.
У описанного выше теплообменника с ребристыми трубками 1 в соответствии с традиционной технологией имеется проблема, которая заключается в том, что на стороне нисходящего потока ребер 3 граничный слой жидкости вблизи поверхности ребер 3 имеет увеличенную толщину, вызывая снижение коэффициента теплообмена. Для того чтобы решить эту проблему, патентный документ 1 раскрывает теплообменник с ребрами с вырезанными и выступающими частями. Вырезанные и выступающие части в ребрах обладают эффектом передней кромки, посредством которого толщина граничного слоя потока вблизи поверхности ребер может быть уменьшена. Это приводит к уменьшению теплопроводности между ребрами и текучей средой и, таким образом, может улучшить эффективность теплообмена.
Патентный документ JP-A-H-2-217792 (страницы 1-4, Фиг. 1) относится к уровню техники.
Тем не менее, в соответствии с теплообменником, раскрытым в патентном документе 1, упомянутом выше, увеличение числа вырезанных и выступающих частей приводит к увеличению сопротивления траектории движения и, таким образом, существует ограничение по числу и организации вырезов и выступов. Это привело к проблеме в трудности уменьшения толщины граничного слоя вдоль всех ребер, таким образом, недостаточного уменьшения теплопроводности.
Принимая во внимание описанную выше проблему с традиционной технологией, задачей настоящего изобретения является создание теплообменника, который может снижать толщину граничного слоя потока вблизи поверхности ребра, тем самым позволяя улучшить эффективность теплообменника и системы теплообмена, использующих это изобретение.
Для того чтобы достичь описанной выше задачи, настоящее изобретение обеспечивает систему теплообмена, включающую: теплообменник с трубкой для протекания первой текучей среды и множество ребер, сформированных тонкими пластинами, прикрепленными к трубке и которые упорядочены сторона к стороне в направлении расширении трубки; вентилятор для ввода второй текучей среды в пространство между ребрами. Ребра извиваются таким образом, чтобы непрерывные вогнутые и выпуклые части формировались с регулярным шагом. Вогнутые и выпуклые части организованы таким образом, чтобы расширяться в направлении пересечения с направлением протекания второй текучей среды между ребрами. Скорость потока второй текучей среды, проходящей между ребрами, выполнена переменной с регулярным циклом.
Согласно данной конфигурации, когда первая текучая среда протекает через трубку, тепло от первой текучей среды передается ребрам. Множество ребер, сформированных из тонких пластин, упорядочены сторона к стороне в направлении расширения трубки, и при движении вентилятора в пространство между ребер подается вторая текучая среда. Ребра извиваются таким образом, чтобы вогнутые и выпуклые части формировались с регулярным шагом, а направление расширения вогнутых и выпуклых частей пересекает направления протекания второй текучей среды. Часть второй текучей среды, протекающая вдоль ребер, течет в вогнутую часть таким образом, чтобы в вогнутой части формировался вихрь. Со скоростью потока доставки второй текучей среды вентилятор выполнен переменным при регулярном шаге, застой завихрения в вогнутой части и вытекание второй текучей среды из вогнутой части происходят многократно.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации направление потока второй текучей среды, проходящей между ребрами, инвертируется с регулярным шагом. В соответствии с данной конфигурацией вторая текучая среда протекает между ребрами в направлении, зарезервированном с предопределенным шагом.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации направление потока второй текучей среды, подводимой к ребрам, выполнено переменным с регулярным шагом. В соответствии с данной конфигурацией, при протекании в направлении между ребрами, вторая текучая среда течет в направлении, которое изменяется с постоянным шагом, и также, при протекании между ребрами в различных частях теплообменника, вторая текучая среда течет с изменяющимся значением скорости.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации вогнутые и выпуклые части упорядочены таким образом, чтобы расширяться в направлении, ортогональном направлению прохождения второй текучей среды, проходящей между ребрами.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации вогнутые и выпуклые части каждого ребра обращены к вогнутой части и выпуклой части смежных ребер соответственно. В соответствии с конфигурацией вторая текучая среда протекает вдоль поверхности вогнутой части, и, таким образом, может быть снижена потеря давления потока в основном направлении потока.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации вогнутые и выпуклые части каждого ребра обращены к вогнутой части и выпуклой части смежных ребер. В соответствии с конфигурацией, даже в случае, когда ребра расположены с уменьшающимися промежуткам друг от друга, вторая текучая среда протекает с изгибом и, таким образом, имеет возможность проходить без увеличения потери давления.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации плоская поверхность вогнутой части параллельна направлению прохода второй текучей среды, проходящей между ребрами, и плоская поверхность непрерывна с боковой стенкой вогнутой части и формирует прямой или острый угол с боковой стенкой вогнутой части. В соответствии с данной конфигурацией вторая текучая среда протекает вдоль плоской поверхности перпендикулярно или под острым углом по отношению к боковой стенке вогнутой части. Поэтому часть потока второй текучей среды эффективно отделена от остального потока у боковой стенки вогнутой части и, таким образом, способна эффективно циркулировать в вогнутой части.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации вогнутая часть имеет прямоугольную форму в сечении. В соответствии с данной конфигурацией вторая текучая среда протекает вдоль области плоской поверхности и, таким образом, могут быть снижены потери давления потока в направлении главного потока. Кроме того, часть потока второй текучей среды эффективно отделена от оставшейся части, и обновление текучей среды в вогнутой части может выполняться более эффективно, чем в случае, когда боковая стенка вогнутой части располагается под острым углом к направлению основного потока.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации, когда вторая текучая среда проходит между ребрами при максимальной скорости, число Рейнольдса, полученное для взятой в качестве характерной длины вогнутой части или выпуклой части в направлении прохождения, имеет значение больше, чем критическое значение числа Рейнольдса. В соответствии с данной конфигурацией при максимальной скорости потока второй текучей среды скорость потока достаточно высока для того, чтобы делать возможным завихрения в вогнутой части с увеличенной угловой скоростью застаиваться в вогнутой части.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации, когда вторая текучая среда проходит между ребрами при минимальной скорости, число Рейнольдса имеет значение меньше, чем критическое значение числа Рейнольдса. В соответствии с данной конфигурацией при минимальной скорости потока второй текучей среды скорость потока достаточно низкая для того, чтобы дать возможность завихрению в вогнутой части иметь пониженную угловую скорость, чтобы перейти в состояние, когда его часть распространяется за пределы вогнутой части.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации вентилятор формируется из осевого вентилятора с множеством лопастей и, по крайней мере, некоторые из лопастей обеспечены таким образом, чтобы иметь противоположный угол атаки. В соответствии с данной конфигурацией нет необходимости инвертировать прямое/обратное вращение вентиляторного двигателя, тем самым достигая упрощенного механизма. Кроме того, вентилятор вращается с циклом короче, чем цикл, с которым инвертируется прямое/обратное вращение вентиляторного мотора, тем самым давая возможность инвертировать направление прохождения с увеличенной частотой за фиксированный период времени. Таким образом, стагнация и обновление текучей среды в вогнутой части могут выполняться с увеличенной частотой.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации вентилятор располагается на каждой из восходящих и нисходящих стенок теплообменника, а вентилятор, расположенный на восходящей стенке, и вентилятор, расположенный на нисходящей стенке, приводятся в движение попеременно. Более предпочтительно вентилятор формируется радиальным вентилятором, таким как вентилятор сирокко (центробежный вентилятор). Упомянутый вентилятор демонстрирует более высокую производительность выхлопа воздуха по отношению к большому сопротивлению потока, чем другие типы вентиляторов, такие как осевые вентиляторы и вентиляторы однократной циркуляции. Поэтому данная конфигурация особенно подходит для, например, систем теплообмена с теплообменниками увеличенной длины в направлении прохода, что приводит к большему сопротивлению протока.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации направляющее устройство, которое направляет вторую текучую среду, располагается на восходящей или нисходящей стенке вентилятора и с помощью направляющего устройства направление протока второй текучей среды может изменяться с регулярным циклом. В соответствии с данной конфигурацией направление прохождения второй текучей среды, проходящей между ребрами в различных частях теплообменника, может переключаться быстрее, чем при инвертировании прямого/обратного вращения вентиляторного двигателя и при переключении между состояниями включено/выключено.
Кроме того, в настоящем изобретении в системе теплообмена описанной выше конфигурации вентилятор формируется в виде вентилятора однократной циркуляции или радиального вентилятора, заключенного в корпус с портом для втекания и портом для вытекания, теплообменник располагается таким образом, чтобы окружать периферию вентилятора, и корпус сконфигурирован с возможностью вращения. В соответствии с данной конфигурацией, в особенности в случае, когда теплообменник организован таким образом, чтобы окружать вентилятор, направление протока второй текучей среды, проходящей между ребрами теплообменника, может быть инвертировано посредством вращательного движения только корпуса вентилятора, тем самым обеспечивая преимущество достижения упрощенной структуры.
Настоящее изобретение также обеспечивает теплообменник, включающий: трубку для прохождения текучей среды; множество ребер, сформированных из тонких пластин, прикрепленных к трубке. Ребра извиваются таким образом, чтобы иметь непрерывные вогнутые и выпуклые части, сформированные с однородным шагом, расширяющиеся в одном направлении.
В соответствии с настоящим изобретением ребра имеют вогнутые и выпуклые части, расширяющиеся в направлении, пересекающем направление потока второй текучей среды таким образом, чтобы часть второй текучей среды, проходящая между ребрами, формировала завихрение в вогнутой части. Кроме того, скорость потока второй текучей среды выполнена переменной с однородным циклом, тем самым обеспечивая эффект, при котором теплоотдача между второй текучей средой и ребрами или трубкой улучшается через завихрения в вогнутой части. Кроме того, застой второй текучей среды в вогнутой части и обновление второй текучей среды в вогнутой части происходят многократно, и, таким образом, теплоотдача выполняется постоянно и эффективно. Таким образом, без зависимости от производительности теплопроводности самих ребер, область, используемая для теплообмена между ребрами и потоком между ребрами, может быть распространена по поверхности ребер, тем самым давая возможность усовершенствования эффективности теплообмена.
Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:
На Фиг. 1 представлено схематическое структурное изображение системы теплообмена в соответствии с первой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 2 представлен вид в перспективе теплообменника системы теплообмена в соответствии с первой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 3 представлен вид сверху, объясняющий состояние, когда вторая текучая среда проходит сквозь теплообменник системы теплообмена в соответствии с первой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 4 представлен вид сверху, объясняющий состояние, когда вторая текучая среда проходит сквозь теплообменник системы теплообмена в соответствии с первой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 5 представлен вид сверху, объясняющий состояние, когда вторая текучая среда проходит сквозь теплообменник системы теплообмена в соответствии с первой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 6 представлен вид сверху, объясняющий состояние, когда вторая текучая среда проходит сквозь теплообменник системы теплообмена в соответствии с первой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 7 представлен вид сверху, объясняющий состояние, когда вторая текучая среда проходит сквозь теплообменник системы теплообмена в соответствии с первой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 8 представлен вид сверху, объясняющий состояние, когда вторая текучая среда проходит сквозь теплообменник системы теплообмена в соответствии со второй реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 9 представлен вид сверху, объясняющий состояние, когда вторая текучая среда проходит сквозь теплообменник системы теплообмена в соответствии со второй реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 10 представлен вид сверху, объясняющий состояние, когда вторая текучая среда проходит сквозь теплообменник системы теплообмена в соответствии со второй реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 11 представлен вид сверху, объясняющий состояние, когда вторая текучая среда проходит сквозь теплообменник системы теплообмена в соответствии со второй реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 12 представлен вид сверху, объясняющий состояние, когда вторая текучая среда проходит сквозь теплообменник системы теплообмена в соответствии со второй реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 13 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с третьей реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 14 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с третьей реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 15 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с четвертой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 16 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с четвертой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 17 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с пятой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 18 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с пятой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 19 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с шестой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 20 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с шестой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 21 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с седьмой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 22 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с восьмой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 23 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с девятой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 24 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с девятой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 25 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с десятой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 26 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с десятой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 27 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с одиннадцатой реализацией настоящего изобретения.
На Фиг. 28 представлено схематичное структурное изображение теплообменника системы теплообмена в соответствии с традиционной технологией.
Ниже описан первый вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на соответствующие фигуры. На Фиг. 1 представлено схематичное структурное изображение системы теплообмена в соответствии с первой реализацией настоящего изобретения. Система теплообмена 10 включает в себя теплообменник 1 и вентилятор 4. Теплообменник 1 имеет трубку 2 для протекания первой текучей среды, такой как вода, СО2 или HCF-содержащий хладагент и ребро 3, прикрепленное к трубке 2, и, таким образом, является теплообменником типа теплообменника из ребристых труб.
Система теплообмена 10 расположена во второй текучей среде, такой как воздух. Вентилятор 4 формируется из осевого вентилятора, такого как пропеллерный вентилятор и имеет лопасть 6, прикрепленную к мотору 5, скорость вращения (rpm) лопасти 6 изменяется синусоидально, т.е. с регулярным циклом, скорость вращения лопасти 6 увеличивается и уменьшается и направление ее вращения инвертируется.
В данной конфигурации, когда лопасть 6 вращается в направлении, указанном стрелкой В1, в направлении, указываемом стрелкой А1, генерируется поток второй текучей среды, а когда лопасть 6 вращается в направлении, указываемом стрелкой В2, то в направлении, указываемом стрелкой А2, генерируется поток второй текучей среды. Кроме того, увеличение скорости вращения лопасти 6 увеличивает скорость протока второй текучей среды, а уменьшение скорости вращения лопасти 6 снижает скорость протока второй текучей среды, и, таким образом, вторая текучая среда, проходящая между ребрами 3, выполнена переменной по скорости потока. Когда вторая текучая среда протекает между ребрами 3, тепло, передаваемое от первой текучей среды ребру 3, предоставляется второй текучей среде, таким образом, выполняется теплообмен.
На Фиг. 2 представлен вид в перспективе, подробно представляющий теплообменник 1. На фигуре трубки 2 цилиндрической формы расширяются в поперечном направлении и упорядочены бок о бок в продольном и во фронтальном направлениях. Трубки 2 могут состоять из одной трубки или из множества трубок. Ребро 3 формируется из тонкой пластины с высокой теплопроводностью, такой как металлическая пластина, а множество ребер 3 упорядочены бок о бок в направлении расширения трубки 2. Ребро 3 может быть расположено перпендикулярно или наклонно к направлению расширения трубки 2.
Ребро 3 извивается к меандру с регулярным шагом, и поэтому на каждой его поверхности вогнутая часть 7 и выпуклая часть 8, которые расширяются в одном направлении, формируются непрерывно. В данной конфигурации каждая из вогнутых частей 7 имеет боковую стенку, общую со смежной выпуклой частью 8, а шаг Т в два раза больше, чем ширина W вогнутой части 7 (выпуклой части 8). Выпуклая часть 8 имеет плоскую область поверхности 8а, посредством которой смежные области вогнутых частей 7 связаны друг с другом, а область плоской поверхности 8а состоит из тыльной поверхности каждой из вогнутых частей на обратной стороне поверхности. Область плоской поверхности 8а формируется перпендикулярно боковой стенке вогнутой части 7, а вогнутая часть 7 имеет прямоугольную форму в сечении, которая открыта с одной стороны. Кроме того, вогнутые части 7 смежных ребер 3 упорядочены таким образом, чтобы их открытые стороны были обращены друг к другу.
Ширина W вогнутой части 7 слегка больше диаметра трубки 2, а трубка 2 проникает в область плоской поверхности 8а таким образом, чтобы весь корпус трубки 2 в направлении диаметра трубки находился внутри вогнутой части 7. Как будет описано ниже, завихрения формируются в вогнутой части 7, и если трубка 2 располагается таким образом, чтобы лежать поперек нескольких вогнутых частей 7 и выпуклых частей 8, увеличивается число завихрений с формой, искаженной по отношению к желаемой. Располагая трубку 2 таким образом, чтобы она находилась внутри одной вогнутой части 7, можно уменьшить число завихрений с искаженной из-за трубки 2 формой.
Вентилятор 4 расположен таким образом, чтобы его осевое направление было параллельно направлению шага вогнутой 7 и выпуклой 8 частей ребра 3. Поэтому направление распространения воздушного потока, сгенерированного вентилятором 4 (стрелки А1 и А2), совпадает с направлением, в котором вторая текучая среда проходит между ребрами 3 (далее на это направление будем ссылаться как на «направление основного потока»). Несмотря на то что направление прохождения воздушного потока, сгенерированного вентилятором 4, может быть наклонным к направлению основного потока, возможность совпадения направления прохождения с направлением основного потока может снизить потери давления. Кроме того, вогнутая часть 7 и выпуклая часть 8 упорядочены таким образом, чтобы расширяться в направлении (вертикальное направление на Фиг. 2), ортогональном направлению, в котором при движении вентилятора 4 вторая текучая среда проходит между ребрами 3 (стрелки А1 и А2).
На Фиг. 3-7 представлены виды сверху, объясняющие состояния, когда вторая текучая среда проходит через теплообменник 1. На Фиг. 3 представлено состояние второй текучей среды, проходящей между ребрами 3 с максимальной скоростью потока. Число Рейнольдса Re, полученное в это время по отношению к ширине W вогнутой части 7 (равной ширине выпуклой части 8), выбранной в качестве характерной длины, имеет значение, большее, чем критическое значение числа Рейнольдса. В результате между ребрами 3 вблизи области плоской поверхности 8а генерируется турбулентный поток.
Направление основного потока второй текучей среды, протекающей вокруг трубки 2, совпадает с направлением, в котором вторая текучая среда поставляется вентилятором 4 и параллельно области плоской поверхности 8а. Это может снизить сопротивление потока и предотвратить формирование области стоячей воды (воздуха).
Вторая текучая среда протекает с достаточно высокой скоростью, такой, что значение полученного числа Рейнольдса Re превышает критическое число Рейнольдса, таким образом, что тепло второй текучей среды, проходящей между ребрами 3, передается быстро в направлении основного потока через поток. В то же время в результате того, что число Рейнольдса Re превышает критическое значение числа Рейнольдса, в вогнутой области 7 генерируется завихрение 7а, имеющее большую угловую скорость. Из-за этого тепловой поток вблизи поверхности ребра 3 или трубки 2 становится высоким, и, таким образом, теплообмен между частью второй текучей среды в вогнутой части 7 и ребром 3 или трубкой 2 значительно улучшается. В это время завихрение 7а стоит в вогнутой части 7 и становится неподвижным (далее на этот феномен будем ссылаться как на «стагнацию текучей среды в вогнутой части»).
Когда скорость второй текучей среды, проходящей между ребрами 3, уменьшается, осуществляется состояние, представленное на Фиг. 4. Число Рейнольдса Re, полученное в это время, имеет значение меньше критического значения числа Рейнольдса. В этом состоянии в вогнутой части 7 формируется завихрение 7b с уменьшенной угловой скоростью, и, таким образом, часть его выходит за пределы вогнутой части 7. Соответственно, положение центра завихрения 7b сдвинуто по отношению к завихрению 7а (см. Фиг. 3). В результате по отношению к теплу, переданному от ребра 3 завихрением 7а в вогнутой части 7 на Фиг. 3, теплообмен выполняется между частью этого тепла и потоком между ребрами 3. Более того, в то время как тепло, получаемое в результате этого, передается в направлении основного потока, теплообмен между частью тепла, таким образом, передается, и также происходит завихрение 7b в одной из вогнутых частей 7, расположенных впереди направления протекания.
Когда скорость второй текучей среды, проходящей между ребрами 3, снижается до такой степени, что направление потока второй текучей среды инвертируется, как показывает стрелка А2, осуществляется состояние, представленное на Фиг. 5. В этом состоянии, т.к. направление основного потока повернуто в обратном направлении, в то время как в вогнутой части 7 остается легкое влияние угловой скорости, где формируется поток, проходящий главным образом, вдоль вогнутостей и выпуклостей ребра 3. В результате часть второй текучей среды, которая остается в вогнутой части 7 вместе с теплом, передается в направлении основного потока, а часть потока, находящаяся между ребрами 3 вместе с теплом, двигается в вогнутую часть 7. Оттуда часть второй текучей среды вытекает, а свежая порция потока второй текучей среды затекает в вогнутую часть 7, таким образом обновляя вторую текучую среду в вогнутой части 7 (далее на этот феномен будем ссылаться как на «обновление жидкости в вогнутой части»).
Когда по истечении некоторого времени скорость второй текучей среды увеличивается, осуществляется переход в состояние, представленное на Фиг. 6. В этом состоянии инерция второй текучей среды и тангенциальная составляющая сопротивления на поверхности ребра 3 увеличиваются с увеличением в скорости, таким образом, что постепенно усложняется проток вдоль вогнутостей и выпуклостей ребра 3. В результате с тыльной поверхности вогнутой части 7 начинает формироваться завихрение 7с.
Когда скорость второй текучей среды продолжает увеличиваться, осуществляется переход к скорости, направление которой обратно по отношению к описанному ранее состоянию, представленному на Фиг. 4, амплитуда которой равна амплитуде в состоянии, представленном на Фиг. 7.
В этом состоянии, развитый из завихрения 7с, сгенерированного, как показано на Фиг. 6, формируется завихрение 7b с амплитудой, аналогичной состоянию, представленному на Фиг. 4, и с направлением, обратным к нему. Таким образом, в направлении основного потока происходит теплопередача.
Скорость второй текучей среды продолжает увеличиваться и переходит в состояние с направлением потока, обратным ранее описанному и представленному на Фиг. 3 с равной амплитудой. В результате аналогично описанному ранее состоянию тепло от второй текучей среды между ребрами 3 быстро передается через поток в направлении основного потока. Тем временем в вогнутой части 7 генерируется завихрение 7а с большой угловой скоростью. После этого многократно осуществляются состояния, представленные на Фиг. 3-7, во время чего поток второй текучей среды меняется, т.е. скорость второй текучей среды выполнена переменной по амплитуде (скорость потока) и инвертируется в направлении потока.
В соответствии с данной реализацией в ребре 3 обеспечены вогнутая 7 и выпуклая 8 части, которые расширяются в направлении, ортогональном направлению потока второй текучей среды, таким образом, чтобы часть второй текучей среды, проходящая между ребрами 3, формировала завихрение в вогнутой части 7. Кроме того, скорость потока второй текучей среды выполнена переменной с однородным циклом, обеспечивая тем самым эффект, при котором передача тепла между второй текучей средой и ребром 3 или трубкой 2 улучшается посредством завихрений 7а, 7b или 7с вогнутой части 7. Кроме того, многократно происходит стагнация и обновление текучей среды в вогнутой части, и, таким образом, выполняется устойчивый и эффективный перенос тепла в направлении основного потока А1/А2. Таким образом, независимо от теплопроводности ребра 3 область, используемая для теплообмена между ребром 3 и потоком второй текучей среды, проходящей между ребрами 3, может быть распространена по всей поверхности ребра 3, тем самым давая возможность улучшения эффективности теплообмена.
Это дает возможность, например, использовать в качестве ребра 3 ребро с длиной в направлении потока второй текучей среды, длиннее, чем традиционно используемое ребро, а для изготовления ребра 3 использовать материал с теплопроводностью ниже, чем в традиционно используемых материалах. Даже в таких случаях возможно эффективно улучшать теплопередачу вместо того, чтобы навлекать на себя традиционную проблему ухудшения.
Кроме того, направление потока второй текучей среды, проходящей между ребрами 3, инвертируется с регулярным циклом, и, таким образом, можно в большей мере избежать формирования области стоячей воды (стоячего воздуха) в нисходящей части трубки 2, чем в традиционной технологии. Это может увеличить эффективную область сечения теплообменника 1.
До тех пор пока вогнутая часть 7 и выпуклая часть 8 расширяются в направлении, пересекающем направление потока второй текучей среды, завихрения 7а, 7b или 7с формируются аналогичным образом, и может быть получен аналогичный эффект. Однако в случае, когда вогнутая 7 и выпуклая 8 части расширяются в направлении, ортогональном направлению потока второй текучей среды, часть потока второй текучей среды эффективно отделяется от остальной части у боковой стенки вогнутой части 7. Таким образом, дается возможность части второй текучей среды эффективно циркулировать в вогнутой части 7 для формирования интенсивных завихрений, таких как завихрение 7а, давая возможность более эффективного выполнения теплопередачи в вогнутой части 7.
Кроме того, боковая стенка вогнутой части 7 может формироваться наклонно к направлению основного потока. Однако боковая стенка вогнутой части 7, сформированная перпендикулярно направлению основного потока, дает возможность части потока второй текучей среды быть эффективно отделенным от остальной части потока у боковой стенки вогнутой части 7. Это делает возможным формирование интенсифицированного завихрения, такого как 7а, тем самым давая возможность более эффективной передачи тепла в вогнутой части 7. В случае, когда боковая стенка вогнутой части 7 формируется под острым углом к направлению основного потока, часть потока второй текучей среды эффективно отделяется от остальной части для формирования интенсифицированного завихрения, такого как завихрение 7а.
Кроме того, вогнутая часть 7 формируется в форме прямоугольника и формируется область плоской поверхности 8а. Поэтому вторая текучая среда протекает вдоль области плоской поверхности 8а, и, таким образом, могут быть снижены потери давления в потоке в направлении основного потока. Кроме того, часть потока второй текучей среды эффективно отделяется от оставшейся части, как описано выше, и таким образом, боковая стенка вогнутой части 7, сформированная под прямым углом к направлению основного потока, дает возможность более эффективного обновления текучей среды в вогнутой части, чем в случае с острым углом.
Кроме того, вогнутая часть 7 смежных ребер 3 выполнена таким образом, что их открытые стороны направлены друг к другу, что предотвращает извивание потока в направлении основного потока и, таким образом, снижает потери давления. Кроме того, т.к. основной поток не извивается, особенно в момент времени, когда скорость основного потока становится высокой, вход основного потока в вогнутую часть 7 может подавляться. Таким образом, более надежно может достигаться стагнация жидкости в вогнутой части 7.
Кроме того, вентилятор 4 может быть выполнен в виде вентилятора однократной циркуляции или центробежного вентилятора, с использованием вентилятора осевого потока вентилятор 4 может обеспечить широкий поток через площадь поперечного сечения, уменьшить потери давления и поставлять большие объемы воздуха. Поэтому в случае, когда, как в данной реализации, теплообменник 1 имеет в направлении основного потока длину, значительно меньшую по сравнению с размерами в других измерениях, может быть легко сформирован поток в направлении основного потока. Кроме того, прямая/обратная инверсия направления прохождения также может быть выполнена сравнительно легко, посредством инверсии прямого/обратного вращения вентилятора 4.
Несмотря на то что вышеупомянутое описанное направление вращения лопасти 6 инвертируется вентилятором 4 таким образом, что направление потока второй текучей среды инвертируется, также возможно, что скорость вращения лопасти 6 увеличивается и уменьшается с ее фиксированным направлением вращения. В этом случае вторая текучая среда выполнена переменной по скорости потока с фиксированным направлением вращения, а вышеописанные состояния, представленные на Фиг. 3 и 4, осуществляются циклически. Таким образом, область, используемая для теплообмена между ребром 3 и потоком между ребрами 3, может быть распространена на всю поверхность ребра 3, тем самым давая возможность улучшения эффективности теплообмена.
Второй вариант осуществления изобретения
Описание ориентировано на систему теплообмена 10 в соответствии со вторым вариантом реализации. Данная реализация имеет конфигурацию, аналогичную описанной выше для первого варианта реализации, представленную на Фиг. 1, и отличается от нее только расположением ребер 3. На Фиг. 8-12 представлена горизонтальная проекция, объясняющая состояния, когда вторая текучая среда проходит сквозь теплообменник 1. В теплообменнике 1 вогнутая часть 7 и выпуклая часть 8 ребра 3 упорядочены таким образом, что вогнутая часть 7 каждого из ребер 3 обращена к выпуклой части 8 смежного ребра 3. Остальные части сконфигурированы аналогично первой реализации.
На Фиг. 8 представлено состояние второй текучей среды, проходящей между ребрами 3 с максимальной скоростью потока. Число Рейнольдса Re, полученное в данный момент времени по отношению к ширине W вогнутой части 7 (см. Фиг. 2), выбранной в качестве характерной длины, имеет значение, превышающее критическое.
Направление основного потока второй текучей среды, протекающей вокруг трубки 2, совпадает с направлением, в котором вторая текучая среда поставляется вентилятором 4 и параллельно области плоской поверхности 8а. Это может снизить сопротивление потока и предотвратить формирование области стоячей воды.
Вторая текучая среда имеет достаточно высокую скорость для того, чтобы число Рейнольдса Re имело значение, превышающее критическое, таким образом, что тепло второй текучей среды между ребрами 3 быстро передается через поток в направлении основного потока. При этом в результате того, что число Рейнольдса Re имеет значение, превышающее критическое, в вогнутой части 7 генерируется завихрение 7а с большой угловой скоростью. Из-за этого тепловой поток в области поверхности ребра 3 или трубки 2 становится высоким и, таким образом, значительно усиливается теплообмен между частью второй текучей среды в вогнутой части 7 и ребром 3 или трубкой 2. В это время завихрение 7а остается в вогнутой части 7 и застаивается (стагнация текучей среды в вогнутой части).
Когда скорость второй текучей среды, проходящей между ребрами 3, уменьшается, осуществляется переход в состояние, представленное на Фиг. 9. Число Рейнольдса, полученное в данный момент времени, имеет значение меньше критического. В этом состоянии в вогнутой части 7 формируется завихрение 7b, которое имеет пониженную угловую скорость и, таким образом, имеет часть, выходящую за пределы вогнутой части 7. Соответственно, положение центра завихрения 7b сдвинуто по сравнению с завихрением 7а (см. Фиг. 8). В результате по отношению к теплу, передаваемому от ребра 3 посредством завихрения 7а в вогнутой части 7 (см. Фиг. 8), теплообмен выполняется между частью этого тепла и потоком между ребрами 3. Более того, в то время как тепло, полученное в результате этого, передается в направлении основного потока, выполняется теплообмен между частью тепла, полученного таким образом, и завихрением 7 в прямом направлении вогнутых частей 7.
Когда скорость второй текучей среды, проходящей между ребрами 3, уменьшается до такой степени, что направление потока второй текучей среды инвертируется, как показано стрелкой А2, осуществляется состояние, представленное на Фиг. 10. В этом состоянии, т.к. направление основного потока обратное, в то время как в вогнутой части 7 остается легкое влияние угловой скорости, там формируется поток, проходящий последовательно вдоль вогнутостей и выпуклостей ребра 3. В результате часть второй текучей среды, остающаяся в вогнутой части 7 вместе с теплом, передается в направлении основного потока, а поток между ребрами 3 вместе с теплом проходит в вогнутую часть 7. Часть второй текучей среды в вогнутой части вытекает из нее, а свежая порция второй текучей среды затекает в вогнутую часть 7, таким образом обновляя вторую текучую среду в вогнутой части 7 (обновление текучей среды в вогнутой части).
При дальнейшем увеличении скорости второй текучей среды осуществляется переход в состояние, представленное на Фиг. 11. В этом состоянии с увеличением скорости увеличивается влияние инерционности второй текучей среды и тангенциального сопротивления на поверхности ребра 3, так, что постепенно становится сложно протекать вдоль вогнутостей и выпуклостей ребра 3. В результате у тыльной поверхности вогнутой части 7 начинает генерироваться завихрение 7с.
Скорость второй текучей среды увеличивается до скорости, направление потока которой обратно описанному выше, представленному на Фиг. 8, а амплитуда которой равна амплитуде в этом же состоянии. В результате аналогично ранее описанному состоянию тепло второй текучей среды между ребрами 3 быстро передается через поток в направлении основного потока. При этом в вогнутой части 7 генерируется завихрение 7а с большой угловой скоростью. После этого циклически осуществляется переход в состояния, представленные на Фиг. 8-12, во время которых поток второй текучей среды меняется, т.е. скорость второй текучей среды переменна по амплитуде (скорости потока) и инвертируется в направлении потока.
В соответствии с данной реализацией, аналогично первой реализации, в ребре 3 обеспечивается вогнутая часть 7 и выпуклая часть 8, которые расширяются в направлении, ортогональном направлению потока второй текучей среды таким образом, чтобы часть второй текучей среды, проходящая между ребрами 3, формировала завихрение в вогнутой части 7. Кроме того, скорость потока второй текучей среды - переменная с регулярным циклом, тем самым обеспечивая эффект того, что теплопередача между второй текучей средой и ребром 3 или трубкой 2 усиливается посредством завихрений 7а, 7b и 7с в вогнутой части 7. В дополнение к этому циклически повторяется стагнация и обновление текучей среды в вогнутой части и, таким образом, постоянно и эффективно выполняется теплопередача в направлении основного потока А1/А2. Таким образом, без зависимости от теплопроводности самого ребра 3 область, используемая для теплообмена между ребром 3 и потоком между ребрами 3, может быть распространена на всю поверхность ребра 3, тем самым давая возможность улучшения эффективности теплообмена.
Кроме того, направление потока второй текучей среды, проходящей между ребрами 3, инвертируется с регулярным циклом, и, таким образом, в большей степени, чем в традиционной технологии, может быть предотвращено формирование области стоячей воды в нисходящей части трубки 2. Это может увеличить эффективность области поперечного сечения теплообменника 1.
Кроме того, вогнутые части 7 ребер 3 обращены к выпуклым частям 8 смежных ребер 3, и поэтому даже в случае, когда ребра 3 располагаются с уменьшенным интервалом друг от друга, вторая текучая среда извивается и, таким образом, имеет возможность двигаться без увеличения потерь давления.
Боковая стенка вогнутой части 7 может быть наклонна к направлению основного потока, и, более предпочтительно, она образует прямой или острый угол с областью плоской поверхности 8а. Кроме того, вогнутая часть 7 и выпуклая часть 8 могут распространяться в направлении, наклонном к направлению основного потока. Более того, также возможно, что скорость вращения лопасти 6 увеличивается и уменьшается с лопастью 6, вращающейся в одном направлении. В этом случае вторая текучая среда переменна по скорости потока с фиксированным направлением потока, и циклически осуществляются ранее описанные состояния, представленные на Фиг. 8-9.
Третий вариант осуществления изобретения
На Фиг. 13 представлено схематическое структурное изображение, показывающее систему теплообмена в соответствии с третьим вариантом реализации. Для удобства объяснений, обозначим справочными символами части, соответствующие ранее описанному первому варианту реализации, представленному на Фиг. 1. В системе теплообмена 11 в соответствии с данной реализацией лопасти 6 вентилятора 4 сконфигурированы отлично от первой реализации. Остальные части сконфигурированы аналогично первой реализации.
Вентилятор 4 формируется из осевого вентилятора, а лопасть составлена из лезвий лопасти 6а и 6b, имеющих взаимно противоположные углы набегания, которые попеременно упорядочены в направлении вращения. Вентилятор 4, приводимый в движение с постоянной скоростью вращения, а на фигуре, по отношению к левой части теплообменника 1 противоположной лезвию лопасти 6а, вторая текучая среда вводится туда в направлении, указываемом стрелкой А3. На фигуре, по отношению к правой части теплообменника 1 противоположной лезвию лопасти 6b, вторая текучая среда вводится в нее в направлении, обозначенном стрелкой А4. В положении, противоположном лезвию лопасти 6а, направление основного потока второй текучей среды, проходящей между ребрами 3 теплообменника 1, противоположно направлению в положении, обратном лезвию лопасти 6b, как показано стрелками А3 и А4 соответственно.
Когда посредством вращения лопасти 6 на фигуре осуществляется состояние, представленное на Фиг. 14, левая сторона теплообменника 1 противоположна лезвию лопасти 6b, а вторая текучая среда вводится в нее в направлении, указываемом стрелкой А4. На фигуре правая часть теплообменника 1 противоположна лезвию лопасти 6а, а вторая текучая среда вводится в нее в направлении, указываемом стрелкой А3. Кроме того, скорость потока в каждой части теплообменника 1 снижается, когда лезвия лопастей 6а и 6b вращаются от частей, и увеличивается, когда лезвия лопастей 6а и 6b вращаются в направлении этих частей. Посредством приведения в движение вентилятора 4 скорость потока второй текучей среды, проходящей сквозь теплообменник 1, переменна, а ее направление инвертировано.
Таким образом, может быть получен эффект, подобный эффекту в первой реализации. В особенности в данной реализации нет необходимости инвертировать прямое/обратное вращение мотора вентилятора, тем самым достигая большей простоты механизма, чем в первой реализации. Кроме того, прямое/обратное вращение мотора вентилятора инвертируется с относительно длинным циклом из-за влияния инерции, а лезвия лопастей 6а и 6b проходят над произвольной областью теплообменника с циклом короче, чем этот цикл. Поэтому направление прохождения может быть инвертировано с увеличенной частотой за фиксированный период времени. Следовательно, стагнация и обновление текучей среды в вогнутой области могут выполняться с большей частотой, чем в первой реализации. Так же, как и теплообменник 1, может использоваться и теплообменник с конфигурацией, аналогичной используемой во второй реализации.
Четвертый вариант осуществления изобретения
На Фиг. 15 представлено схематическое структурное изображение, представляющее систему теплообмена в соответствии с четвертой реализацией. Для удобства объяснений обозначим справочными символами части, соответствующие ранее описанному первому варианту реализации, представленному на Фиг. 13-14. В системе теплообмена 12 в соответствии с данной реализацией лопасть 6 прикреплена к вентилятору 4 отличным от третьей реализации образом. Остальные части сконфигурированы аналогично третьей реализации.
Лопасть 6 вентилятора 4 включает в себя лезвия лопасти 6а и 6b с взаимно противоположными углами набегания. Вал двигателя 5а обеспечен так, чтобы проникать между ребрами 3 теплообменника 1, а лезвия лопасти 6а и 6b прикреплены к обоим концам вала двигателя 5а соответственно так, чтобы между ними располагался теплообменник 1.
Вентилятор 4 приводится в движение с постоянной скоростью вращения, а вторая текучая среда вводится в него в направлении, указываемом стрелкой А3, противоположном лезвию лопасти 6а, см. левую часть теплообменника 1 на фигуре. Вторая текучая среда вводится в правую часть теплообменника 1 (см. правую область фигуры), противоположную лезвию лопасти 6b в направлении, указываемом стрелкой А4. В положении, противоположном лезвию лопасти 6а, направление основного потока второй текучей среды, проходящей между ребрами 3 теплообменника 1, обратно ему в положении, противоположном лезвию лопасти 6b, как указывается стрелками А3 и А4 соответственно.
Когда посредством вращения лопасти 3 осуществляется состояние, представленное на Фиг. 16, на фигуре левая часть теплообменника 1 противоположна лезвию лопасти 6b, а вторая текучая среда вводится в нее в направлении, указываемом стрелкой А4. На фигуре правая часть теплообменника 1 противоположна лезвию лопасти 6а, а вторая текучая среда вводится в нее в направлении, указываемом стрелкой А3. Кроме того, скорость потока в каждой части теплообменника 1 снижается, когда лезвия лопасти 6а и 6b вращаются от соответствующих областей, и увеличиваются, когда лезвия лопасти 6а и 6b вращаются в их направлении. Посредством запуска вентилятора 4 скорость потока второй текучей среды, проходящего сквозь теплообменник 1, переменна, а направление ее прохождения инвертируется.
Таким образом, может быть получен эффект, аналогичный наблюдаемому в третьей реализации. Так же, как и теплообменник 1, может использоваться и теплообменник с конфигурацией, аналогичной используемой во второй реализации.
Пятый вариант осуществления изобретения
На Фиг. 17 представлено схематическое структурное изображение, представляющее систему теплообмена в соответствии с пятой реализацией. Для удобства объяснений обозначим справочными символами части, соответствующие ранее описанному первому варианту реализации, представленному на Фиг. 1-2. В системе теплообмена 13 в соответствии с данным вариантом реализации вентилятор 31 формируется из однопроточного вентилятора, такого как диаметральный вентилятор, а теплообменник 1 в конфигурации, аналогичной используемой в первой реализации, располагается на каждом из отверстий 32а и 32b, которые обеспечены на обоих концах корпуса 32 соответственно.
Вентилятор 31 вращается синусоидально, т.е. скорость его вращения увеличивается и уменьшается, а направление вращения инвертируется. В данной конфигурации, когда вентилятор 31 вращается в направлении, указываемом стрелкой В3, вторая текучая среда протекает от отверстия 32а по направлению к отверстию 32b, указываемому стрелкой А5. Когда вентилятор 31 вращается в направлении, указываемом стрелкой В4, как показано на Фиг. 18, вторая текучая среда протекает от отверстия 32b по направлению к отверстию 32a, указываемому стрелкой А6.
Таким образом, может быть получен эффект, аналогичный получаемому в первой реализации. В особенности посредством использования однопроточного вентилятора, как в данной реализации, объем и скорость воздуха в направлении оси вентилятора 31 (направление, перпендикулярное плоскости на Фиг. 17) могут быть выполнены более однородно, чем в случаях использования осевого вентилятора и радиального вентилятора соответственно. Поэтому данная конфигурация подходит для достижения однородности выполнения теплообмена в направлении оси вентилятора теплообменника 1.
Так же, как и теплообменник 1, может использоваться и теплообменник с конфигурацией, аналогичной используемой во второй реализации. Кроме того, также возможно, что скорость вращения вентилятора 31 сделана переменной с фиксированным направлением вращения. В этом случае вторая текучая среда, проходящая сквозь теплообменник 1, переменная по скорости потока с фиксированным направлением потока.
Шестой вариант осуществления изобретения
На Фиг. 19 представлено схематическое структурное изображение, представляющее систему теплообмена в соответствии с шестой реализацией. Для удобства объяснений, обозначим справочными символами части, соответствующие ранее описанному первому варианту реализации, представленному на Фиг. 1-2. В системе теплообмена 14 в соответствии с данным вариантом реализации вентиляторы 33 и 34 формируются из радиальных вентиляторов, таких как вентилятор сирокко, располагаемых по обеим сторонам теплообменника 1, в конфигурации, аналогичной используемой в первой реализации соответственно.
Вентиляторы 33 и 34 приводятся в движение попеременно, а скорость их вращения увеличивается при запуске работы и уменьшается при приостановке работы. Когда вентилятор 33 запущен, вентилятор 34 переводится в нерабочее состояние, а вторая текучая среда протекает от вентилятора 34 к вентилятору 33 в направлении, указываемом стрелкой А7. Когда вентилятор 34 запущен, а вентилятор 33 переведен в нерабочее состояние, как показано на Фиг. 20, вторая текучая среда протекает от вентилятора 33 к вентилятору 34 в направлении, указываемом стрелкой А8. Таким образом, скорость потока второй текучей среды, проходящей через теплообменник 1, увеличивается и уменьшается, а ее направление основного потока инвертируется.
Таким образом, может быть получен эффект, аналогичный получаемому в первой реализации. Вентиляторы 33 и 34 также могут быть выполнены в виде однопроточных вентиляторов или осевых вентиляторов, а более предпочтительно, чтобы они формировались из радиальных вентиляторов, таких как вентилятор сирокко. Это объясняется тем, что использование радиальных вентиляторов, таких как 33 и 34 позволяет получить выбранную форму доставки текучей среды, даже при больших потерях давления, как свойственно. Поэтому даже в том случае, когда теплообменник 1 системы теплообмена 14 имеет увеличенную толщину в направлении основного потока, может выполняться эффективный теплообмен. Так же, как и теплообменник 1, может использоваться и теплообменник с конфигурацией, аналогичной используемой во второй реализации.
Седьмой вариант осуществления изобретения
На Фиг. 21 представлено схематическое структурное изображение, представляющее систему теплообмена в соответствии с седьмой реализацией. Для удобства объяснений обозначим справочными символами части, соответствующие ранее описанному шестому варианту реализации, представленному на Фиг. 19-20. В системе теплообмена 15 в соответствии с данной реализацией, по отношению к шестой реализации, трубки 2 теплообменника 1 упорядочены в большем числе рядов, и поэтому теплообменник 1 имеет увеличенную толщину в направлении основного потока. Остальные части сконфигурированы аналогично шестой реализации.
В соответствии с данной реализацией ребро 3 в направлении основного потока имеет увеличенную длину, тем самым позволяя увеличить область теплообмена. Кроме того, в качестве вентиляторов 33 и 34 используются радиальные вентиляторы, и, таким образом, даже при больших потерях давления может реализовываться желаемая форма доставки текучей среды. Это позволяет достигнуть высокой производительности теплообмена.
Восьмой вариант осуществления изобретения
На Фиг. 22 представлено схематическое структурное изображение, представляющее систему теплообмена в соответствии с восьмой реализацией. Для удобства объяснений обозначим справочными символами части, соответствующие ранее описанному шестому варианту реализации, представленному на Фиг. 19-20. В системе теплообмена 16 в соответствии с данной реализацией, по отношению к шестой реализации, трубки 2 теплообменника 1 упорядочены в большем числе рядов и два теплообменника с аналогичной конфигурации обеспечены бок о бок в качестве теплообменника 1. Остальные части сконфигурированы аналогично шестой реализации.
Два теплообменника 1 располагаются в корпусе 35 с перегородкой 35а, расположенной внутри. Перегородка 35а открыта в нижней части фигуры, позволяя, таким образом, теплообменникам 1 взаимодействовать друг с другом. Соответственно, два теплообменника 1 имеют увеличенную в направлении основного потока длину. В верхней части корпуса 35 обеспечены отверстия 35b и 35с, таким образом, чтобы быть изолированными друг от друга перегородкой 35а, а вентиляторы 33 и 34 расположены у отверстий 35b и 35с соответственно.
В соответствии с данной реализацией ребро 3 имеет увеличенную в направлении основного потока длину, а два теплообменника 1 обеспечены рядом, тем самым позволяя увеличить область теплообмена. Кроме того, в качестве вентиляторов 33 и 34 используются радиальные вентиляторы, и, таким образом, даже при больших потерях давления может реализовываться желаемая форма доставки текучей среды. Это позволяет достигнуть высокой производительности теплообмена.
Кроме того, вентиляторы 33 и 34 расположены вместе на одной стороне системы теплообмена 16, и, таким образом, данная реализация является эффективной в том случае, когда отверстие для притока второй текучей среды из внутренней области и отверстие для ее стока должны быть обеспечены на одной стороне системы теплообмена.
Девятый вариант осуществления изобретения
На Фиг. 23 представлено схематическое структурное изображение, представляющее систему теплообмена в соответствии с девятой реализацией. Для удобства объяснений обозначим справочными символами части, соответствующие ранее описанному шестому варианту реализации, представленному на Фиг. 19-20. В системе теплообмена 17 вентиляторы 33 и 34, сформированные в виде радиальных вентиляторов, таких как вентиляторы сирокко, располагаются друг напротив друга. Кроме того, теплообменник 1 в конфигурации, аналогичной используемой в шестой реализации, расположен в направлении вдоль окружности вентиляторов 33 и 34.
Корпус 36 вентиляторов 33 и 34 открыт с одной стороны, где формируются отверстия 36b и 36с таким образом, чтобы быть изолированными друг от друга перегородкой 36а. Теплообменник располагается напротив отверстий 36b и 36с. Вентиляторы 33 и 34 располагаются на другом конце корпуса 36 противоположно друг другу по осевому направлению, а отверстия 36b и 36с позволяют взаимодействовать друг с другом через перегородку 36а посредством вентиляторов 33 и 34. Вентиляторы 33 и 34 втягивают вторую текучую среду в осевом направлении, а поставляют ее в направлении вдоль окружности.
Вентиляторы 33 и 34 запускаются попеременно, а скорость их вращения увеличивается при запуске и уменьшается при приостановке. Когда вентилятор 33 запущен, вентилятор 34 переводится в нерабочее состояние, а вторая текучая среда протекает от вентилятора 34 к вентилятору 33 в направлении, указываемом стрелкой А9. Когда вентилятор 34 запущен, а вентилятор 33 переведен в нерабочее состояние, как показано на Фиг. 24, вторая текучая среда протекает от вентилятора 33 к вентилятору 34 в направлении, указываемом стрелкой А10. Таким образом, скорость потока второй текучей среды, проходящей через теплообменник 1, увеличивается и уменьшается, а ее направление основного потока инвертируется.
Таким образом, может быть получен эффект, аналогичный получаемому в первой реализации. Кроме того, в качестве вентиляторов 33 и 34 используются радиальные вентиляторы, и, таким образом, даже при характерной проблеме больших потерь давления, может реализовываться желаемая форма доставки текучей среды. Поэтому даже в случае, когда теплообменник 1 системы теплообмена 17 имеет увеличенную толщину в направлении основного потока, может быть достигнута высокая эффективность теплообмена. Так же, как и теплообменник 1, может использоваться и теплообменник с конфигурацией, аналогичной используемой во второй реализации.
Десятый вариант осуществления изобретения
На Фиг. 24 представлено схематическое структурное изображение, представляющее систему теплообмена в соответствии с десятой реализацией. Для удобства объяснений обозначим справочными символами части, соответствующие ранее описанному девятому варианту реализации, представленному на Фиг. 23-24. В системе теплообмена 18 в соответствии с данной реализацией, по отношению к девятой реализации, один из вентиляторов, вентилятор 34 (см. Фиг. 23), и перегородка 36а (см. Фиг. 23) опущены, а обеспечено направляющее устройство 38.
Направляющее устройство 38 формируется из движущихся по кольцу жалюзи, расположенных на нисходящей стороне вентилятора 33 и создающих направление потока второй текучей среды, доставляемой от вентилятора 33 переменным с регулярным циклом. Кроме того, направляющее устройство расположено противоположно части теплообменника, выступающей в направлении, перпендикулярном плоскости фигуры.
Когда вентилятор 33 приводится в действие, как указывается стрелкой А11, вторая текучая среда втекает в корпус 36 посредством прохождения сквозь часть теплообменника 1, отличную от части, противоположной направляющему устройству 38. Вентилятор 33 втягивает вторую текучую среду в осевом направлении и поставляет ее в направлении вдоль окружности, а вторая текучая среда направляется направляющим устройством 38 для протекания сквозь часть теплообменника 1, противоположную направляющему устройству 38.
Когда ориентация направляющего устройства 38 меняется, как показано на Фиг. 26, вторая текучая среда, поставляемая от вентилятора 33, направляется в направлении расширения направляющего устройства 38. Вторая текучая среда вытекает из корпуса 36 через часть теплообменника 1 по воображаемой линии, расширяемой от направляющего устройства 38. В это время вторая текучая среда вводится от направляющего устройства 38 к теплообменнику 1 наклонно к ребру 3, а затем проходит вдоль ребра 3 в направлении основного потока. Кроме того, вторая текучая среда втекает в корпус 36 через часть теплообменника 1, отличную от части, через которую эта вторая текучая среда вытекает.
Поэтому при движении по окружности направляющего устройства 38 вторая текучая среда является переменной по скорости потока в направлении потока в каждой части теплообменника 1. Таким образом, может быть достигнут эффект, аналогичный эффекту в девятой реализации. Кроме того, направление потока второй текучей среды, вводимой в ребро 3 теплообменника 1, переменно с регулярным циклом, и, таким образом, вторая текучая среда легко может быть выполнена переменной по скорости потока и в направлении потока в каждой из частей теплообменника 1. В особенности эта реализация преимущественна в том, что направление потока в каждой части может инвертироваться чаще, чем цикл, с которым инвертируется прямое/обратное вращение двигателя вентилятора, или чем цикл переключения между состояниями включено/выключено. Так же, как и теплообменник 1, может использоваться и теплообменник с конфигурацией, аналогичной используемой во второй реализации.
Одиннадцатый вариант осуществления изобретения
На Фиг. 27 представлено схематическое структурное изображение, представляющее систему теплообмена в соответствии с одиннадцатой реализацией. Для удобства объяснений обозначим справочными символами части, соответствующие ранее описанному девятому варианту реализации, представленному на Фиг. 1-2. В системе теплообмена 19 вентилятор 31 формируется как однопроточный вентилятор, такой как поперечно-проточный вентилятор, а множество теплообменников 1 в конфигурации, аналогичной используемой в первой реализации, упорядочены таким образом, чтобы окружать периферию корпуса 37 вентилятора 31.
Корпус 37 вентилятора 31 имеет входящий порт 37а и выходящий порт 37b, который обеспечен на обоих его концах соответственно и вращается, как показано стрелкой С. В данной конфигурации, когда вентилятор 31 приводится в движение, вторая текучая среда проходит через тот из теплообменников 1, который обращен к входящему порту 37а, как показано стрелкой А13, и втекает в корпус через него. Вторая текучая среда затем выходит из корпуса 37 через выходящий порт 37b и проходит через тот из теплообменников 1, который обращен к выходящему порту 37b.
Когда корпус 37 посредством движения по окружности помещен в положение, указанное ломаной линией 37', вторая текучая среда проходит через тот из теплообменников 1, который обращен к входящему порту 37а в соответствующем положении, как показано стрелкой А14, и втекает в корпус через входящий порт 37а. Вторая текучая среда вытекает из корпуса 37 через выходящий порт 37b и проходит через тот из теплообменников 1, который обращен к выходящему порту 37b.
Т.к. корпус 37 может вращаться в каждом из теплообменников 1, скорость потока второй текучей среды возрастает и уменьшается с регулярным циклом, а ее направление инвертируется с регулярным циклом. Таким образом, может быть достигнут эффект, аналогичный эффекту в первой реализации. Кроме того, направление потока второй текучей среды, подводимой к ребру 3 каждого из теплообменников 1, переменно с регулярным циклом, и, таким образом, скорость потока легко может быть сделана переменной. Так же, как и теплообменник 1, может использоваться и теплообменник с конфигурацией, аналогичной используемой во второй реализации. Кроме того, радиальный вентилятор также может быть реализован в виде однопроточного вентилятора. Кроме того, также возможно дать возможность вентилятору 31 колебаться. В этом случае, когда вентилятор 31 установлен в режим колебания с углом 180°С или меньше, вторая текучая среда, проходящая сквозь теплообменники 1, переменна по скорости потока с фиксированным направлением потока.
В вышеизложенном обсуждении система теплообмена в соответствии с настоящим изобретением была описана с помощью первых одиннадцати реализаций. Однако настоящее изобретение не ограничивается вышеописанными реализациями и может различным подходящим образом изменяться без отклонения от объема настоящего изобретения.
Настоящее изобретение может применяться в устройствах для рассеяния тепла или охлаждения для двигателей, например воздушных кондиционеров, воздушных нагревателей, бойлеров и автомобилей и для электронных компонентов с высоким тепловыделением.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
| 1 | теплообменник |
| 2 | трубка |
| 3 | ребро |
| 4, 31, 33, 34 | вентилятор |
| 5 | двигатель |
| 6, 6а, 6b | лопасть, лезвие лопасти |
| 7 | вогнутая часть |
| 7а, 7b, 7с | завихрения |
| 8 | выпуклая часть |
| 8а | область плоской поверхности |
| 10-19 | системы теплообмена |
| 32, 35, 36, 37 | корпус |
1. Система теплообмена, содержащая:
теплообменник, включающий в себя:
трубку для протекания первой текучей среды и
множество ребер, сформированных из тонких пластин, которые прикреплены к трубке и которые расположены рядом друг с другом в направлении расширения трубки; и
вентилятор для ввода второй текучей среды в пространство между ребрами,
в которой
ребра извиваются таким образом, чтобы иметь непрерывные вогнутую и выпуклую части, формируемые с регулярным шагом,
вогнутые и выпуклые части расположены таким образом, чтобы расширяться в направлении пересечения с направлением прохождения второй текучей среды, проходящей между ребрами, а
скорость потока второй текучей среды, проходящей между ребрами, переменная с регулярным циклом таким образом, чтобы осуществляться с регулярным циклом: первое состояние, при котором завихрения остаются в вогнутой части и застаиваются, а второе состояние, при котором часть завихрений выходит за пределы вогнутой части из-за снижения угловой скорости завихрения и теплообмен выполняется между частью завихрения и потоком второй текучей среды, проходящим между ребрами.
2. Система теплообмена по п.1, в которой:
направление движения второй текучей среды, проходящей между ребрами, инвертируется с регулярным циклом таким образом, чтобы с регулярным циклом последовательно осуществлялись первое и второе состояния, третье состояние, когда вторая текучая среда в инвертированном направлении потока втекает в вогнутую часть вдоль вогнутой части, и четвертое состояние, при котором в вогнутой части генерируется завихрение, которое вращается в обратном направлении по отношению к завихрению в первом состоянии.
3. Система теплообмена по п.2, в которой:
направление движения второй текучей среды, подводимой к ребрам, переменно с регулярным циклом.
4. Система теплообмена по п.1, в которой:
вогнутая и выпуклая части расположены таким образом, чтобы расширяться в направлении, ортогональном направлению прохождения второй текучей среды, проходящей между ребрами.
5. Система теплообмена по п.1, в которой:
открытые стороны вогнутых частей смежных ребер обращены друг к другу.
6. Система теплообмена по п.1, в которой:
вогнутая часть каждого из ребер обращена к выпуклой части смежного ребра.
7. Система теплообмена по п.1, в которой:
выпуклая часть имеет область плоской поверхности, параллельную направлению прохождения второй текучей среды, проходящей между ребрами, и область плоской поверхности непрерывна с боковой стенкой вогнутой части и формирует прямой угол или острый угол с боковой поверхностью вогнутой части.
8. Система теплообмена по п.7, в которой:
вогнутая часть имеет прямоугольную форму в поперечном сечении.
9. Система теплообмена по п.1, в которой:
когда вторая текучая среда проходит между ребрами с максимальной скоростью, число Рейнольдса, полученное по отношению к длине вогнутой части или выпуклой части в направлении прохождения, выбранной в качестве характерной длины, имеет значение, превышающее критическое значение числа Рейнольдса.
10. Система теплообмена по п.9, в которой:
когда вторая текучая среда проходит между ребрами с минимальной скоростью, число Рейнольдса имеет значение меньше критического значения числа Рейнольдса.
11. Система теплообмена по п.2, в которой:
вентилятор выполнен в виде осевого вентилятора или однопроходного вентилятора, а направление вращения вентилятора инвертируется с регулярным циклом.
12. Система теплообмена по п.2, в которой:
вентилятор выполнен в виде осевого вентилятора, имеющего множество лезвий лопасти, и, по меньшей мере, несколько лезвий лопасти выполнены таким образом, чтобы иметь противоположные углы набегания.
13. Система теплообмена по п.2, в которой:
вентилятор расположен на каждой из восходящих и нисходящих сторон теплообменника и вентилятор, расположенный на восходящей стороне, и вентилятор, расположенный на нисходящей стороне, приводятся в движение попеременно.
14. Система теплообмена по п.13, в которой:
в качестве вентилятора используется радиальный вентилятор.
15. Система теплообмена по п.2, в которой:
направляющее устройство, которое направляет вторую текучую среду, выполнено на восходящей стороне или нисходящей стороне вентилятора и с помощью направляющего устройства направление потока второй текучей среды переменно с регулярным циклом.
16. Система теплообмена по п.2, в которой:
вентилятор выполнен в виде осевого вентилятора или радиального вентилятора, который включен в корпус, на обоих концах которого выполнены входящий порт и выходящий порт для второй текучей среды соответственно, при этом теплообменник расположен таким образом, чтобы окружать периферийную область вентилятора, а корпус выполнен с возможностью вращения.
17. Теплообменник, содержащий:
трубку для протока второй текучей среды;
множество ребер, выполненных из тонких пластин, прикрепленных к трубке, и которые расположены рядом друг с другом в направлении расширения трубки, в котором:
ребра извиваются таким образом, чтобы иметь непрерывную вогнутую и выпуклую части, выполненные с регулярным шагом, увеличиваемым в одном направлении.
