動力慣性驅動熱交換器的製作方法
2023-06-05 04:50:01
專利名稱：動力慣性驅動熱交換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶有流體抽運以及在流體熱交換過程中籍慣性來驅動熱的傳遞的一種高效熱交換器，屬於熱交換技術領域。
熱交換器是通過一個隔開流體使互不滲透的器壁將熱量從一種流體傳送到另一流體的眾所周知的設備。這裡，流體這個術語是指任何一種非固體的，可以是組合物質，包括氣體、蒸汽和液體。通常熱從器壁一側溫度較高的流體傳向器壁通過與器壁表面相接觸的溫度較低的另一側流體來移除。分隔壁兩邊存在溫差對於熱從一種流體傳向另一流體是必要的。熱從流體傳到器壁內部必須跨越一個與器壁相接觸的邊界層，該邊界層在緊貼器壁表面的地方其流體流速相對於壁來說為零。對液-液類熱交換器來說熱的傳遞必須越過兩個這種邊界層。邊界層阻擋了熱的傳遞，因為邊界層內是片流而非湍流，在片流情況下垂直於熱交換器壁的方向上沒有連續的流質交換這使熱的傳導受到了限制。熱交換器內邊界層範圍以外流體由於湍流造成流體的混合作用使熱傳遞速率大大提高。在傳統的熱交換器中減小邊界層厚度使流體更好地進行熱交換是通過特意創造湍流使器壁附近流質混合的辦法來實現的，這需要消耗能量，能量的損失是由於在粘流體中發生大塊切變，在每一點上粘滯力向量反平行於流體的速度向量。功耗的量級正比於相應流體的速度和粘滯力的乘積在整個熱交換器體積內的積分值。在靠近交換壁的地方創造湍流以降低邊界層的厚度對熱交換是有利的，但使湍流遠離邊界層延伸發展到大塊流體中則是不希望的，它阻礙了整個系統中流體的定向輸運，帶來噪聲並造成機械能的損失。任何表面的熱交換係數與邊界層厚度成反比關係，邊界層厚度定義為從壁到流體開始發生湍流處的垂直距離，取決於所用流體的性質在邊界層內給出一個相對於壁的速度梯度，當該處速度超過臨界值則湍流產生。
通常分隔流體的交換壁利用一些附加物，波紋材料，凸稜或其他構型使緊靠壁的地方易產生湍流並增加接觸面。總之，在傳統熱交換器中其設計任務是利用各種辦法來創造湍流減小邊界層厚度並增大與流體接觸的交換壁表面面積。
本發明的設計思想與傳統的熱交換器有很大不同。本發明提供一種可以加強流體混合的方法，人為地產生一種局部作用於邊界層的慣性力F，該慣性力F與熱量穿過交換器壁進入流體而造成的流體溫度梯度相關，從而也與由此而形成的流體密度梯度相關。我們知道邊界層中流體存在著溫度梯度，這是因為片流使物質不能混合所造成的，離邊界層較遠的流體中溫度梯度較小這是由於湍流混合的結果。顯然，對獲取熱量的一側來說，緊貼器壁表面的那層流體溫度最高密度最小。如果將熱交換表面和流體置於一個繞軸旋轉的加速參考系中則將產生慣性力場，如原理圖1和圖2所示。該微分力dF作用於熱交換器內任一小體積單元d
，應和該處流體的密度、流體的速度有關dF/d
＝d(ρ(T) (dV)/(dt) )/d
其中ρ(T)為所處位置的流體密度與溫度T有關;V是流體速度;t是時間。
慣性力F所起的作用是驅動相對於周圍流體溫度較高密度較小的那部分流體運動，其運動方向和所施加的力的方向相反，從而在邊界層內引起了流體的相對運動。慣性力場促使那些溫度梯度最大的區域中流體混合加強，而邊界層內正是熱交換器內的主要溫度變化區。與溫度梯度相關的慣性力導致流體內部相對運動將因邊界層內粘滯損失而消耗能量，但對那些邊界層範圍以外流動著的大部分流體而言因其溫度梯度趨於零則粘滯損失也趨於零;另一方面，熱交換器中流體的速度向量V，如圖1所示，可分解為三個分量，即角速度向量V(θ)，軸向速度向量V(Z)和徑向速度向量V(r)。實際上，在本發明中這三個速度分量的數值量級來說一般有｜V(θ)｜＞｜V(Z)｜＞｜V(r)｜。角速度向量V(θ)和軸向速度向量V(Z)彼此互相垂直於F力向量，所以力F和這兩個分量的點乘積均為零。這意味著力F可以任意加大而不因大塊流體的輸運速度增加而招致附加的粘滯功損失。慣性力F將各處因熱的非均勻性而造成的不同密度的流體加速到徑向速度V(r)，一般因其值相對較小，所以V(r)與F僅形成有限的點乘積。因此，由力F而引起主要能量消耗局限於靠近器壁的邊界層區。慣性力的方向可以任選而本發明將慣性力的方向選擇和大塊流體速度向量成最佳的互相垂直方向，從而使它們間點乘積最小能量利用效率最高。
本發明所用的原理和傳統熱交換器中的過程有重大差別。傳統熱交換器中當利用流體相對於交換器運動以產生湍流去減小邊界層厚度時，粘滯力將因流體趨於零流動而也趨於零，但此時邊界層厚度則相應增加。邊界層內的一些微小的流體混合僅僅是由於重力引起的對流，而本發明即使在交換器內流體零流動情況下，所加的慣性力仍可不受衰減地破壞邊界層。換句話說，慣性力的作用總是不斷地破壞流體中的密度變化，極大地降低邊界層的厚度。傳統熱交換器的這種效果只能靠地心引力產生的自然對流，而本發明則是以人為引入慣性力來大大加強這種效果。
按照本發明，熱量是在相鄰的，由公共壁界面1隔開的，有任意橫截面的通道5和4中流動著的兩股流體間進行交換的，通道平行於旋轉軸並形成堅固的結構，它整個地繞公共軸旋轉，見原理圖2。本發明設計思想的第二個特點是將流體輸運泵和熱交換器有機地結合成一個整體，不像傳統熱交換體系中泵和熱交換器是兩個獨立的組成部分。按照本發明，對有熱交換器繞軸旋轉的特殊場合，可以通過熱交換通道的入口和出口處引入一個徑向的總體反對稱幾何構型，該構型對交換器兩側而言具有反對稱面，即可使流體產生抽動作用。這個幾何反對稱構型是這樣安排的，即流體離開熱交換器構架處有較大的軸旋轉半徑而進入構架處設計成具有較小的軸旋轉半徑，如原理圖3所示。當熱交換通道繞軸旋轉時，通道埠因旋轉半徑不同而線速度也不同，必在兩端產生壓力差而導致流體的定向輸運，其輸運方向僅取決於通道埠所安排的幾何構型而與交換器繞軸旋轉的方向無關。根據這個原理本發明可以很容易地將相鄰兩熱交換通道中的流體輸運方向安排成相同的或者是相反的。當流體由軸半徑較小的口進入通道時被賦予角動量，流體的角動量當其通過熱交換器時是守恆的，因此，熱交換器的旋轉軸長度及與此關聯的體系熱交換效率可以無限增加而不影響角動量。
泵和熱交換器的有機結合帶來了另一個優點。傳統熱交換系統因泵和交換器分開，這使兩個單元聯接的部分必因流體的泵送而產生湍流帶來噪聲。顯然，本系統不存在這個缺點，從而增加了熱交換系統流質傳遞的機械效率，由湍流引起的噪聲降低了，功耗也相應降低了。
本發明中大部分熱交換表面位於慣性力的方向上，任何外來懸浮粒子或與流體密度不同的外來物質均將受到徑向力的作用被掃離熱交換表面，減小了顆粒物堵塞通道的可能性。對於氣-氣體系，外來物將積集在出口周圍的表面，可以在周期維修時清除掉。也即本發明具有自清潔過程，當熱交換表面與力F的方向不平行時，該自清潔過程僅發生在與力F方面相反的一面。
在本發明中，旋轉的熱交換系統和任何外接固定管道之間使用旋轉密封是必要的，尤其是當流體是液體的場合。由於旋轉封當轉軸速度確定時其直徑有一定的限制，為延長其使用壽命，可以減小熱交換器流體出口的口徑去適應旋轉封的直徑。當流體從較大的旋轉半徑流向小口徑時流體流動方向上反壓將提高，為防止因此而可能引起的角動量損失，在流體通過旋轉封以後可以將流體再次輸向大口徑，當然此時角速度將隨之下降，因而再設法使流體角速度提高是必要的。
與傳統的熱交換器一樣，體積熱傳遞係數可以在交換器確定的體積範圍內對熱交換表面施加波紋或凸稜等增大交換表面面積的方法來提高。整體熱交換性能的進一步提高還可以通過增加形成熱交換表面的通道的長度以及利用安排多路通道並增加熱交換器旋轉半徑等方法來實現。還有，為增加兩股流體間通道的隔離表面面積，可以將通道按一定角度對軸旋繞，這時這些通道形成一個螺旋。按此法，通道長度在不增加熱交換系統軸長的情況下只要技術上允許可以任意增加，理所當然的是該螺旋管在通道長度增加時其截面減小。
本發明的另一個特性是慣性力F將在熱交換器整個體積內隨著較高溫度的流體流向慣性力向量的反方向而引起熱分流或熱分層。尤其是當進出口流體的溫度差懸殊時這種情況更易發生，見原理示意圖4。這種熱分流的內部過程是重要的，因為它可以造成交換器流體進出口定位以至分流體之間的混合或者有顯著溫差的流體層之間的混合減小，這就是所謂的熱分流現象，顯然對提高熱交換效率不利。為使這種熱分流現象極小化，可在流體的出入口處設置隔離障以分隔不同流體層。例如圖4中冷流體進入交換通道後從相鄰通道溫度較高的流體中獲取傳遞熱量，在慣性力量作用下將發生分層，緊靠轉軸處為熱流層，遠離軸處為冷流層，圖中出口處的隔離障將起到對冷流體溢出受阻而熱流體流出通暢。所用隔離障的材料應該是薄而不良熱傳導的。同樣，在相鄰通道的熱流體入口處也可設置類似的隔離障，目的是減小慣性力作用下的熱分流現象提高熱交換的效率。
在熱交換器中，分開兩股不同流體的通道在結構上應簡單，易清潔，機械強度牢固等。原則上，有兩種結構類型。第一種是一股流體通過任意截面的內管流動而另一股則在包裹內管的外管中流動;第二種是運送二股流體而截面任意的通道之間有公共壁隔開，這些通道交替或輪流地按一定夾角繞軸排列形成熱交換器的主體核心。這兩種原則方法將在下面以各種實施例來描述。
本發明提供四類實施例1.空氣對空氣單元，用於帶熱回收的通風，兩股流體逆流輸送，泵和熱交換器形成一個有機整體。見圖2-1到圖2-7。
2.同1所說的空氣對空氣單元，但帶有內部措施或結構，可以逆轉其中一股空氣流的輸運方向，可用於簡單通風。見圖3-1到圖3-3。
3.一種液體對空氣的單元，泵和交換器是一個有機整體，可應用於自動冷卻或空調等場合。見圖4-1到圖4-44.一種液體對液體的熱交換單元。見圖5。
圖2-1展示了一個氣對氣熱交換系統的軸向剖面。該氣-氣熱交換系統由繞旋轉軸排列的成對通道4，5以及氣體出入端元6，7，8，9組成安裝在外轉子電機15轉子上的熱交換核心;固定在定子上的外殼10，排氣管11以及帶有輻射狀空隙的園盤16;配上使更好分離各股氣流的旋轉封12，13，14等組成一個泵和熱交換器有機結合的整體。圖2-1和圖2-2中的熱交換表面1由薄的金屬片或塑料片徑向繞軸排列並固定在同軸園筒2和3上，其相鄰空間規定了圖2-2中的成對通道4和5。氣體出入端元6，7，8，9的對反稱幾何構型使相鄰通道4，5間氣體流動是逆向抽運的，所有熱交換通道端元像園錐環管一樣均勻地上下分布並兩側反對稱地設置在旋軸周圍，它使同側氣體進口和出口隔開。每個通道的出入口處安有導流片17，從圖2-2可以見到導流片在相鄰通道中為上、下各封死一半而且對兩側封口是交替式的，這可在圖2-7中反映出來，旋轉時空氣從端元6進入通道4再從端元7引向外部;另一股則從端元8進通道5再從端元9引向外部。出口端元通過旋轉封12接向環形固定管道11將空氣排出，管道11和帶有輻射狀孔隙的園盤16對兩側而言是對稱的，它們和外殼10一起是熱交換器的固定不轉動部分，而空氣則是通過16的間隙進入的。為了使熱交換後不同溫度的排出氣體間更好地分離使用了旋轉封13，為使進口和出口氣體有效隔離使用了旋轉封14。
氣-氣熱交換器的核心部分還可以通過以下幾種方案來實施。
如圖2-3，2-4所示，由同軸園筒2和3構成包含內管通道5的外管，外管即通道4，相鄰通道交替排列而形成熱交換器的核心，內管和外管間氣體逆向流動。通道5是通過兩端隔板18，實際上是兩個環形錐面，將一個個內管以一定間隔嵌在內園筒3和外園筒2之間的。氣體通過埠6進入內管通道5再從另一埠7排出;另一股氣體則通過埠8進入外管通道4再從埠9排出。
如圖2-5所示，熱交換器的核心也可以由一對對繞軸排列的契形框架，即氣體通道4和5，安排成相鄰框架通道間氣體是逆流抽運的，以及熱交換壁1所構成。交換壁材料為金屬或塑料薄片，框架可以用木條或塑料，為提高熱交換效率，框架內安排有引導氣體流動的隔條17，用壓焊或膠合方法把成對框架連結成核心整體。一個建議的具體尺寸如下壁1為厚度0.02到0.03毫米的鋁箔或塑料膜，面積為徑向100×軸向250毫米，框架底部到軸心的距離為50毫米，也即熱交換核心的直徑為150毫米，長250毫米。構成框架的條，厚度為2毫米，頂部寬度6毫米，底部寬度2毫米;內部隔條厚度1毫米，氣體出口7和9的寬度為10毫米，進口6和8寬度為30毫米。按照上述尺寸，約需80對框架通道4及5就可緊密封裝成一個完整的熱交換器旋轉核心。
還有，如圖2-6，2-7所示，圖2-1和圖2-2中的輻射狀熱交換壁1，可以由波紋狀板材構成，這些波紋的峰和谷緊接同軸園筒2和3，從而形成相鄰通道4和5間的隔離，這些波紋板形成的通道埠按圖2-7所示交替地上下封死一半，使氣體在相鄰通道中能逆向抽運。環形導流封板17和外園筒2之間對通道來說是出口;而環形導流封板17和由園筒3之間對通道來說則是氣體的入口。
若在只需通風而不需要熱交換的場合，可將上述氣-氣熱交換器簡單改造一下，在氣體的進出口兩端各加一個封環20，21。在正常的帶有熱交換的場合，其封環位置如圖3-1所示，不改變原來氣體在相鄰通道中的逆流抽運。當封環20，21沿軸從通道兩端抽出一個距離時，使同側進出口通道聯通，而關閉出口端元7和進口端元6，迫使相鄰通道間的氣體同方向抽運，即氣體的入口為8，出口為9，變成簡單的定向通風，如圖3-2所示。
其實，封環可以做成兩對不同直徑的帶缺口的封盤，如圖3-3中的19。封盤按裝在旋轉軸上，只要旋轉或扭過一個缺口位置關閉或打開通道口就可改變相鄰通道中的氣體流向。
為應用動力慣性驅動熱交換的原理於氣-液系統，有兩點必需注意，一是保證液體不洩漏，其次要求液體不滯留。由於液體的密度相對於氣體要大得多，可以用小口徑的旋轉液封，載帶液體的熱交換管道也可大大縮小其橫截面面積。
圖4-1為氣-液熱交換系統的軸向剖面圖。該系統由液體進口管道22，進口旋轉液封14，軸心管道23，輻射狀分流管24，管形散熱元件25，匯流盒28，出口旋轉液封12，旋轉葉片26，離心空腔27以及液體出口管道11所構成;上述各元件次序也就是熱液體流經的通路，其中除進口管道22，離心空腔27及其出口11為固定不旋轉的部分外，其餘各部分可由任一種動力設備起動使其旋轉。冷空氣通過輻射狀分流管24的間隙，沿軸心管22的周圍進入熱交換器，最後熱空氣從軸半徑較大的管形散熱元件25間的間隙排向空間，泵和熱交換器是有機結合的整體。熱交換管形散熱元件25是有許多金屬散熱片30排置在管道上所構成;散熱片可以有兩種結構方式整體的園環形，見圖4-3和分散在每一管道25上的園片形，見圖4-4。圖4-2為輻射狀分流管的示意圖。匯流盒28起的作用是將流經各散熱管道25的液體匯集至環形出口29，當液體通過旋轉液封12通向固定不轉動的離心空腔27時，因熱交換管25從大軸半徑收縮至較小半徑，此時旋轉著的液體可能損失了部分角動量，為使其不至發生滯流，靠旋轉葉片26增加其角動量並最後經固定出口管道11離開。
作為液-液熱交換器的實施例如圖5所示，它由液體進口管道31和35，進口旋轉液封32和36，熱交換園筒形表面40，內園筒39外園筒41所形成的空腔形通道，固定內外園筒的徑向輻射狀支架片42和43以及出口旋轉液封33和37，出口通道34和38所構成。熱液體從31泵入，從管34離開;冷液體從管35泵入而從38離開，當園筒39，40，41由電機帶動旋轉時，泵入的液體獲得角動量並通過動力激活的分開兩股不同溫度液體的內表面40進行熱交換，而管道31，35，34，38是固定不動的。
圖1-1到圖1-4，為動力慣性驅動熱交換器的原理性示意圖。圖1-4中H代表熱，C代表冷。
圖2-1到圖2-7，為氣-氣熱交換系統的各種實施方案，其中圖2-2為圖2-1中位置A處的橫截面圖。
圖2-4為其熱交換核心可由外管包含內管的方式構成。該圖為軸向剖面圖。
圖2-3為圖2-4中部的橫截面圖。
圖2-5為熱交換核心為框架式通道的分解圖。
圖2-6為熱交換核心由波紋板材構成的橫截面圖。
圖2-7為圖2-6的剖析圖。
圖3-1，圖3-2為簡單通風時相鄰通道氣流抽運方向改成同向的原理圖。
圖3-3，是簡單通風時所用的帶缺口封盤圖。
圖4-1，為氣-液熱交換系統的軸向剖面圖。
圖4-2，為氣-液熱交換系統中輻射狀分流管24的示意圖。
圖4-3及圖4-4為散熱管形元件25上的兩種類型的散熱片圖。
圖5為液-液熱交換系統的軸向剖面圖。
以上各圖中所用的編號表示為1.熱交換表面2.外園筒壁3.內園筒壁4，5.相鄰的熱交換通道6，7，8，9.為通道的進出口端元10.為熱交換器外殼11.為固定出口管道
12，13，14.為旋轉封15.外轉子電機16.帶有輻射狀孔隙的園盤17.為導流片或導流條或導流環形封板18.錐形隔板19.帶缺口封盤20，21.封環22.固定的液體入口管道23.液體流入軸心管道24.輻射狀液體分流管25.管形散熱元件26.旋轉葉片27.離心空腔體28.液體匯流盒29.液體，環形出口30.金屬散熱片31，35.固定的液體入口管道34，38.固定的液體出口管道32，33，36，37.為旋轉液封39.內園筒40.液-液熱交換筒形內壁41.外園筒42，43.固定內外園筒用的輻射狀支架片。
權利要求
1.一種動力慣性驅動熱交換器的設計方法，其特徵為(1)利用動力帶動熱交換器核心部分繞軸旋轉使產生一種人為慣性力場，該慣性力能局部地作用在熱交換表面的邊界層，驅動邊界層內不同密度的流體作相對運動，從而達到破壞邊界層的目的；(2)熱交換通道成對地排列在旋轉軸四周，通道進口旋轉半徑小，通道出口旋轉半徑大，旋轉時通道兩端產生壓力差，使熱交換通道中流體產生定向抽運作用，從而使熱交換器和泵有機地結合成整體；(3)通過在徑向安排熱交換器通道出入口總體反對稱幾何構型，該構型對交換器兩側而言具有反對稱面，使相鄰通道間進行著熱交換的兩股不同的流體作逆向抽運，從而提高熱交換效率。
2.一種按權利要求1所述原理設計的氣-氣熱交換系統，其特徵為該熱交換系統由繞旋轉軸排列的成對通道4，5以及氣體出入端元6，7，8，9組成安裝在外轉子電機15轉子上的熱交換核心;以及固定在定子上的外殼10，排氣管11，帶有輻射狀空隙的園盤16;用以更好分離各股氣流的旋轉封12，13，14等構成。
3.一種按權利要求1所述原理設計的簡單通風系統，其特徵為在權利要求2所述的熱交換系統上，附加兩對可軸向抽動的封環20，21，便改變相鄰通道的氣流為同一方向。
4.一種按權利要求1所述的原理設計的氣-液熱交換系統，其特徵為該系統由液體進口管道22，進口旋轉液封14，軸心管道23，輻射狀分流管道23，管形散熱元件25，匯流盒28，出口液封12，旋轉葉片26，離心空腔27以及液體出口管道11所構成。
5.一種按權利要求1.(1)所述原理設計的液-液熱交換系統，其特徵為該系統由液體進口管道31和35，進口旋轉液封32和36，熱交換園筒形表面40，內園筒39外園筒41所形成的空腔形通道，固定內外園筒的徑向輻射狀葉片42和43以及出口旋轉液封33和37，出口通道34和38所構成。
6.根據權利要求2所述的熱交換系統及權利要求3所述的簡單通風系統中論及的熱交換通道，其特徵為該通道是由一對對繞軸排列的契形框架4，5以及熱交換壁1所形成;交換壁材料可用金屬薄片或塑料薄片;框架可用木條或塑料條;框架內安排有引導氣體流動的隔條17，用壓焊或膠合方法把成對框架連結成熱交換核心體。
7.根據權利要求2所述的熱交換系統及權利要求3所述的簡單通風系統中論及的熱交換通道，其特徵為該成對通道可以用波紋材料來構成。
8.根據權利要求2所述的熱交換系統及權利要求3所述的簡單通風系統中論及的熱交換通道，其特徵為該成對通道可以由同軸園筒2和3構成包含內管通道5的外管所組成，外管即通道4，相鄰通道交替排列而形成熱交換器的核心。
9.根據權利3所述的簡單通風系統，其特徵為所述的可軸向抽動的封環可以用繞軸旋動的帶缺口封盤19來代替。
10.根據權利要求4所述的氣-液熱交換系統中論及的管形散熱元件25，其特徵為有許多金屬散熱片30排置在管道上所構成;散熱片可以在兩種構型方式整體園環形或分散在每一管道25上的園片形中兩者選取其一。
全文摘要
動力慣性驅動熱交換器屬於熱交換技術領域。本發明和傳統熱交換器不同，其特徵是利用人為慣性力破壞交換壁表面的邊界層；在流體出入口處安排不同的對稱幾何構型使熱交換器在繞軸旋轉引入慣性力場的同時具有對流體的抽運功能，使交換器和泵有機地結合起來，可根據設計要求安排流體的抽運方向。本發明可用於簡單通風以及氣-氣、氣-液、液-液等熱交換場合。具有能耗低，效率高的優點。本發明技術具有廣闊的應用和發展前景。
文檔編號F28D11/02GK1057519SQ90104278
公開日1992年1月1日 申請日期1990年6月16日 優先權日1990年6月16日
發明者陳佳洱, 拉索爾 申請人:陳佳洱