Теплообменники и системы теплообмена

Теплообменники и системы теплообмена

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 крит